Новый храм был возведён из блоков тёсаного камня, но, как и первая базилика, перекрыт деревом. Он по-прежнему имел пять нефов, хотя количество колонн увеличилось на одну («лишний» десятый ряд был добавлен с запада); были добавлены также экзонартекс и новый атриум. Общие размеры составили 53,2х26,8 при длине трансепта 36 м. Колонны из хорошо отполированного розоватого вифлеемита встали на новые основания, а их резные коринфские капители с аканфом и знаками креста поддерживали деревянный архитрав с резьбой (которая может отражать богатство кессонированных потолков храма IV в.). Три большие двери с архитравами на выносных консолях вели из внешнего двора в нартекс, откуда три другие двери открывались в главный и боковые нефы. Согласно исследователям, внешние нефы и клеристорий (верхняя часть центрального нефа, приподнятая по отношению к боковым нефам) освещали окна с циркульными архивольтами. Перемены в восточной части были серьёзнее: октагон сменил трифолий – главная апсида (в ней имеются остатки синтрона, перед ней – следы «сирийской бемы», возможно, окружавшей престол) выдавалась с востока, две другие завершали рукава трансепта; световой колодец был заложен. Теперь Пещера Рождества оказалась под сводом трансепта, и приподнятый пол алтарной части примерно соответствовал ей по площади. В неё спускались по полукруглым маршам с севера и юга. Полы и стены всего храма были облицованы мрамором, в верхней части стен помещались мозаики; Харви упоминает о 22 окнах, освещавших интерьер (сейчас заложены). Новый храм уцелел при персидском нашествии 612–629 гг. (согласно легенде, благодаря тому, что персы увидели на мозаике с изображением Рождества сцену поклонения волхвов, в которых, по одежде и головным уборам, признали единоверцев) и при исламском завоевании в 630 гг.; базилика избегла разрушения и при халифе аль-Хакиме в 1009 г., видимо, благодаря тому, что мусульмане почитали место рождения Христа (её южный трансепт был отделён и предоставлен им для поклонения). Отдельный пласт изменений храма эпохи правления императора Юстиниана Великого составляют достройки в период латинского владычества на Востоке, в XII–XIII вв. Вифлеем был взят Танкредом и его отрядом в 100 всадников в июне 1099 г. и оставался в руках крестоносцев до 15 сентября 1187 г. Возвращён франками в 1229 г. по договору между Фридрихом II Гогенштауфеном (1218–1250 гг.) и султаном аль-Маликом аль-Камилом (1180–1238 гг.) и окончательно отбит тюркскими войсками в 1244 г. Если в византийское время храм Рождества был почитаем как церковь-мартирий, но никогда не являлся епископальным центром, то в годы латинского господства он стал кафедрой латинского епископа Вифлеема и Аскалона (с 1100 г.). На Рождество 1100 г. в нём был коронован Балдуин I, а позже и Балдуин II (1118 г.). Здесь служили каноники-августинцы во главе с приором, братство которых сформировалось вскоре после июня 1099 г. Церковь Рождества той эпохи описывают многие пилигримы XII–XIII вв. В декорацию базилики были внесены некоторые изменения: мозаики на стенах, существовавшие к конце XI в. (упомянуты игуменом Даниилом), были отреставрированы в 1161–1165/1169 гг. на средства византийского императора Мануила I Комнина (1143–1180 гг.) и иерусалимского короля Амальрика II (1198–1205 гг.). Оба они названы в двуязычной надписи на южной стене алтаря, в которой упомянут также художник, осуществивший работу, – монах Ефрем. От мозаик уцелели только фрагменты, но ранние описания, особенно Кварезми (1626 г.), позволяют исследователям реконструировать программу хотя бы отчасти. В центральной апсиде была изображена Богородица с Младенцем, по сторонам от них – пророк Давид и праотец Авраам (необычное сочетание, учитывая также сцену Благовещения на триумфальной арке). Греческий паломник Иоанн Фока (1185 г.) упоминает в алтаре «над пещерой» портрет императора Мануила I. Сцены на северной стороне включали Пятидесятницу, на южной – Успение Пресвятой Богородицы и Введение во храм. В северном трансепте имелись сцены Преображения Господня, Уверения апостола Фомы и Вознесения Христова; в южном – Вход в Иерусалим и предательство Иуды. Декорация стен клеристория делилась на три горизонтальные зоны: прямо над архитравом была представлена родословная Христа согласно евангелистам Матфею (южная стена) и Луке (северная стена) – погрудные изображения; над ней на южной стене помещались семь табличек в архитектурном обрамлении с текстами из постановлений семи Вселенских соборов (шесть на греческом и один на латинском языках); на северной стене им отвечали такие же таблички, связанные с шестью поместными Соборами Греческой православной церкви. Над ними, между окнами клеристория, были изображены группы ангелов, у ног одного из них на северной стене имеется мозаичная подпись: «Basilius (Basileus) Pictor» – с пояснением по-сирийски, в котором художник назван диаконом. Согласно Кварезми, западную стену занимала композиция «Древо Иессеево». Колонны нефа в XII в. были также расписаны (изображение Богоматери с Младенцем на второй южной колонне имеет надпись, датирующую роспись 1130 или 1139 гг.), в основном образами восточных и западных, в том числе скандинавских святых.