Первая церковь на месте нынешней была построена в конце XVI века, сгорела в 1774 году. Вторая Сергиевская церковь стояла здесь с 1777 по 1860-е годы. Существующая была воздвигнута в 1868 году. В 1933 году стала называться Сергиевским кафедральным собором.
Сергиевская церковь — единственная из уфимских церквей, которая никогда не закрывалась. В 1937—1938 годах всё уфимское духовенство было арестовано, расстреляно или отреклось от сана. Регистрацию в качестве «служителя культа» сохранил только один священник − иерей Николай Бурдуков. Он и был в марте 1938 года митрополитом Сергием (Страгородским) назначен настоятелем Сергиевского собора, а 1939 году возведён в сан протоиерея. Но в апреле 1941 года протоиерей Николай Бурдуков был отдан под суд по обвинению в спекуляции, и 1941−1942 годах богослужения в храме не совершались.
Сергиевская церковь была центром православной жизни Уфимской епархии. 26 мая 2016 года храму Рождества Богородицы был присвоен статус кафедрального, а Сергиевский храм стал приходским с сохранением наименования соборного.