19 maja 1928 metropolita warszawski i całej Polski Dionizy nadał cerkwi w Chełmie prawa soboru katedralnego, symbolicznie nawiązując do wielowiekowego funkcjonowania w mieście eparchii prawosławnej (eparchia chełmska Patriarchatu Moskiewskiego została zlikwidowana administracyjnie przez władze polskie w 1923).
W 1936 chełmska parafia prawosławna liczyła 5 tys. wiernych. Ponadto w garnizonie miejskim służyła znaczna liczba żołnierzy tego wyznania, zaś w chełmskich szkołach uczyło się 900 prawosławnych uczniów. Rozmiary cerkwi nie były wystarczające dla zapewnienia wszystkim opieki duszpasterskiej, w związku z tym podjęto decyzję o jej rozbudowie. W 1936 rozpoczęto starania w tym kierunku, rok później opracowano projekt, który zatwierdził najpierw metropolita warszawski i całej Polski, a następnie także wojewoda lubelski. 5 czerwca 1938 położono kamień węgielny, wylano fundamenty pod planowane nowe elementy budynku. Prace przerwała II wojna światowa. Po jej zakończeniu podejmowano próby wznowienia budowy, jednak bez powodzenia. Ostatecznie plany te uniemożliwiło wpisanie cerkwi do rejestru zabytków. W 1949 budynek został wyremontowany.