Już po kilkunastu latach od konsekracji budynek był w na tyle złym stanie technicznym, że konieczny był jego remont. Cerkiew wzniesiono w zagłębieniu terenu, dokąd spływała woda z sąsiadujących wzniesień. Ściany budynku zaczęły pękać, zaś podłoga – butwieć. W związku z tym w latach 1864–1867 obiekt poddano kapitalnemu remontowi. Oprócz wymiany podłóg i likwidacji widocznych pęknięć ścian z wnętrza cerkwi usunięto ambonę, której baldachim umieszczono w części ołtarzowej. Powiększono również okna na północnej i południowej elewacji świątyni, usuwając znajdujące się pierwotnie pod nim boczne wejścia. Ponadto wzrost liczby prawosławnych mieszkańców miasta skłonił jednak administrację kościelną do przekształcenia jej w siedzibę cywilnej parafii (podległej eparchii warszawsko-nowogieorgijewskiej), co nastąpiło w 1864. Z tego powodu w sąsiedztwie cerkwi wzniesiono dom parafialny. W 1864 mianowany został pierwszy proboszcz parafii chełmskiej, Jakow Kraszanowski.
W 1866 w cerkwi (lub na sąsiadującej z nią plebanii) został ochrzczony Mychajło Hruszewski.