В 1752-1763 годах в городке Козелец по заказу Натальи Демьяновны Разумовской — матери Алексея и Кирилла Разумовских, возводится грандиозный храм пышной, поистине дворцовой архитектуры. Был у неё свой придворный прфессионал-художник Григорий Стеценко, который писал портреты и расписывал Козелецкий собор. По великолепию и красоте архитектуры собор Рождества Богородицы в Козельце действительно может быть поставлен в ряд лучших архитектурных творений в Российской Империи середины XVIII века. В плане здание представляет крест, что является очень удобным приемом для создания симметричной, уравновешенной композиции. Именно этим и отличалась украинская архитектура этого времени.
Массив здания четко разделен на 2 основных этажа и цокольную часть. Окна расположены по этажам строго в ряд, как это делается в гражданских зданиях. Убранству собора уделено исключительное внимание. Сочетание живописи, скульптуры и архитектуры выполнено с поражающем мастерством. В архитектуре здания соединяются черты барокко, переходящие в игривые формы рококо, и ордерные мотивы классицизма. В первом этаже устроены необычные паперти в виде павильонов с арочным покрытием. Здесь видна рустовка первого этажа, и как контраст этому, сложное и обильное декоративное убранство второго этажа, увенчанного по верху своеобразными выгнутыми фронтонами. Над всем этим — тонкие, изящные барабаны и купола, тянущиеся к небу. С трех сторон прижались к основному объему крылечки с открытой колоннадой, завершающиеся невысокими шатрами. Самое поражающее впечатление производит интерьер. Здесь архитектура, скульптура и живопись выступают в нерасторжимом единстве. Это особенно явно видно в продуманном декоративном убранстве стен, опор, сводов и куполов, а так же грандиозном позолченном многоярусном иконостасе.
В последние годы среди украинских историков архитектуры получило распространенное мнение, что, вероятно, собор строил известный зодчий И.Г. Григорович-Барский при участии А.В. Квасова. Это говорит о некоторых формах, характерных для построек Григоровича-Барского, например, своеобразные выпуклые фронтоны. Но гораздо здесь больше черт, свойственных блистательной архитектуре Растрелли, например, пучки спаренных и встроенных колонн по углам колокольни. Такого рода прием встречается почти во всех постройках Бартоломео Растрелли.
После завершения строительства собора, архитектором Квасовым строится колокольня в 1766-1770 годах, которая является одной из самых высоких в Украине. Ее высота 50 м. Композиционное решение здания традиционно ярусное: нижний ярус украшен рустом, на втором ярусе пучки колонн тосканского ордера, на третьем — ионического, на четвертом — коринфского. Увенчана колокольня полусферическим куполом со шпилем. Колокольня перестраивалась в 1848 году после пожара, причиненного молнией. Собор в Козельце — это последнее сооружение в истории украинского барокко храмового строительства в Украине, после чего наступило время классицизма.
Во время Великой Отечественной войны в соборе фашистами был организован лагерь для военнопленных и конюшня. Рестваврировался собор с 1961 года по 1982 год.
