Н.А. Артлебен предложил не ломать храм, а реставрировать с сохранением плана, фундамента и немногих уцелевших древних частей (восточные пары столбов, участки белокаменной кладки на фасадах) и восстановить утраченные детали по аналогиям. В 1859–1861 гг. были разобраны стены. При строительстве и облицовке стен использовались частично старый кирпич и белый камень. Внутреннее убранство храма было выполнено по эскизам Н.А. Артлебена, настенные росписи принадлежали боголюбовскому иконописцу Ивану Ивановичу Шорохову, иконы написал московский художник Н.Г. Степанов. 22 июля 1869 г. состоялось освящение Рождество-Богородицкого собора. После перестройки это был одноглавый 4-столпный 3-апсидный белокаменный храм с 3-членным делением фасадов на прясла, завершённые полуциркульными закомарами. Пластика апсид и барабана, профили закомар, цоколя и пилястр выполнены по аналогии с другими храмами XII в. во Владимире. Фасады были опоясаны городчатым с поребриком поясом, который подняли несколько выше, чем обычно. В нижнем ярусе окна были устроены не только на западном фасаде, но и на двух других. В порталах использованы древние резные камни архивольта и капителей, и по их шаблону изготовлены новые. После перестройки собора в нём сохранялась рака Александра Невского. Исследователи полагают, что это был деревянный гроб, поставленный в правой части собора. В «Описи имуществу, принадлежащему Рождественскому монастырю и хранящемуся во дворе указанного монастыря» 16 августа 1922 г. значится «деревянное надгробие, стоящее на месте, где был похоронен Александр Невский (в виде ящика)» (современное местонахождение гробницы неизвестно). В 1879 г. при соборе начало работу просветительско-миссионерское братство во имя князя Александра Невского. В северной линии ограды Владимирского Рождественского монастыря находилась каменная трапезная церковь, впервые упомянутая в писцовой книге 1624–1625 гг., в некоторых документах она именуется крестовой. В переписной книге 1701 г. впервые назван престол церкви – во имя Святой Троицы, а также уточняется, что «на церкве шатёр каменный». В 1763 г. трапезная церковь уже именовалась Христорождественской, в 1791 г. была перестроена, вместо шатра поставлена «глава чешуйчатая деревянная». Согласно описанию Рождественской церкви 1800 г., в ней находились «архиерейское место с балдахином... Два амвона, один архиерейский с кафедрой, а другой диаконский». В описи 1805 г. Рождественской церкви упомянут находившийся за левым клиросом «образ в киоте резной Александра Невского с мощами... в оном образе означенные мощи вставлены в серебряный футляр без подписи». В 1814 г. эта икона находилась в приделе Александра Невского в Рождество-Богородицком соборе. В 1825 г. в Христорождественском храме был освящён придел в честь Иверской иконы Божьей Матери в память принесения её и Владимирского образа во Владимир и в Муром в 1812 г. После значительной перестройки храма по проекту архитектора Н.А. Артлебена Владимирский архиепископ Феофан Затворник освятил церковь 2 февраля 1866 г. Новый золочёный резной иконостас был выполнен по рисункам Н.А. Артлебена, иконы написаны московским художником Н.Г. Степановым.