Является единственным в отечественном каменном зодчестве храмом с верхом в виде крещатой бочки в четыре лица (прием, широко распространенный в деревянном церковном строительстве, что свидетельствует о тесной взаимосвязи деревянной и каменной древнерусской архитектуры).

В начале XVII века на Ильинской горе возвышался погостовый ансамбль из холодного шатрового и теплого клетского храмов с отдельно стоящей рубленой колокольней. В 1672 году посадский А.Ф.Олисов перед отъездом в качестве управляющего государственными рыбными и соляными промыслами в Астрахань возвел своим коштом каменную церковь типа "корабль": со строго осевым расположением алтаря, моленного зала, трапезной и колокольни над западным входом. Моленный зал (9.5х7.1 сажени) перекрыт сомкнутым сводом, снаружи крытым килевидной формы фронтами. Барабаны глав украшены полихромными изразцами и фризами (ныне муляжи - подлинные хранятся в музейной экспозиции Рождественской церкви).

В 1784 году при Генеральном межевании города причту церкви определили границы ее крепостной земли. Тогда же бочечную кровлю храма заменили на восьмискатную. В 20-е годы XIX века трапезную и колокольню перестроили. В 1852-1856 годах архитектор А.Е.Турмышев возводит в ложновизантийских формах новую колокольню, в 1899 году расширяется алтарь. После реставрации в советское время сохранился лишь четверик церкви. Колокольня и трапезная разобраны. Сохранились чертежи с изначальной архитектурой храма.