Собор святих мучеників Бориса і Гліба збудували ще на початку ХІІ ст. в західній частині фортеці-дитинця. Про долю собору з середини ХІІІ до початку XVІІІ ст. майже нічого не відомо. Ймовірно, храм постраждав під час пожежі в Чернігівський фортеці в 1610 р.
Відновлений він був уже польською адміністрацією та переданий католицькому ордену домініканців у 1627–1628 рр. Ченці-домініканці перетворили його на костьол, а також було здійснено низку перебудов зовнішнього вигляду, що змінили його апсидну частину. Після 1648 р. Борисоглібський собор знову стає православним храмом. У 1659 р. за сприяння чернігівського архієпископа Л. Барановича, собор було відреставровано та перебудовано, він став головним храмом Борисоглібського монастиря. Під час цих робіт верхи собору отримали барокові завершення. У 1701–1702 рр. перед собором за сприяння чернігівського архієпископа І. Максимовича збудовано дзвіницю-ротонду. Вірогідно, в цей же час, перед головним куполом було надбудовано два декоративні барабани з маківками, які перетворили собор на триглавий. Барокові перебудови Борисоглібського собору були знищені 1857 р., коли його основні форми було перебудовано в стилі класицизму. Під час Другої світової війни собор сильно постраждав і потребував реставрації. Відновлено його було у формах, які він мав за давньоруського часу.