Po kasacie unii w 1875 zamieniona na sobór prawosławny i przebudowana w latach 1874–1878 w stylu bizantyjsko-rosyjskim. Wieże zostały zakończone cebulastymi hełmami, a szczytom nadano styl mauretańskich łuków. Wówczas także powstał przed głównym wejściem czterokolumnowy portyk, który przetrwał do współczesności.
W 1915, kiedy do Chełma weszły wojska austriackie, w budynku zorganizowano skład broni i amunicji, który funkcjonował do 2 listopada 1918.
W maju 1919 obiekt został przejęty przez Kościół rzymskokatolicki. Następnie katedrę przejęli jezuici i stworzyli tu kościół zakonny. Starali się oni także po 1931 roku nadać jej wygląd sprzed 1875.
W 1935 budynek trafił do księży diecezjalnych, wówczas erygowano także nową parafię. W 1938 zakończyła się gruntowna renowacja budynku, którą kierowali Konrad Szretter i J. Siennicki. Pozostawili oni neoklasyczny portyk, ale na wierzchu zamiast tympanonu powstał taras otoczony balustradą. Dodali także motywy zaczerpnięte z kościołów łączonych z Tomaszem Rezlerem, którego błędnie ówcześnie uważano za projektanta świątyni. W planach były także zmiany w wystroju wnętrza kościoła. W 1935 Fundusz Kultury Narodowej ogłosił konkurs na wykonanie malowideł. Zwyciężył artysta malarz Felicjan Szczęsny Kowarski. Z uwagi na brak środków finansowych nie doszło do realizacji planów.