แต่เดิม หลวงพ่อพุทธโสธรประทับอยู่ในโบสถ์หลังเก่าที่มีขนาดเล็กซึ่งสร้างใหม่ในสมัยพระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว รวมกับพระพุทธรูปองค์อื่นๆอีก 18 องค์ จนกระทั่งในปี พ.ศ. 2509 พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวภูมิพลอดุลยเดช เสด็จราชดำเนินมาที่วัดแห่งนี้ มีพระราชปรารภเรื่องความคับแคบของพระอุโบสถเดิม พระจิรปุณโญ (ด. เจียม กุลละวณิชย์) อดีตเจ้าอาวาสจึงได้รวบรวมเงินบริจาคเพื่อจัดซื้อที่ดินสำหรับสร้างพระอุโบสถหลังใหม่

พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวทรงพระมหากรุณาธิคุณ โปรดเกล้าฯ ให้สมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารี ทรงเป็นองค์ประธานการสร้าง และทรงเป็นผู้กำกับดูแลงานสร้างพระอุโบสถหลังใหม่ พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวได้เสด็จพระราชดำเนิน ทรงประกอบพิธีวางศิลาฤกษ์ เมื่อ พ.ศ. 2531 และทรงประกอบพิธียกยอดฉัตรทองคำ น้ำหนัก 77 กิโลกรัม ประดิษฐานเหนือยอดมณฑป เมื่อวันที่ 5 กันยายน พ.ศ. 2539 สมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ เสด็จมาทรงตัดหวายลูกนิมิต เมื่อวันที่ 30 สิงหาคม พ.ศ. 2549 [3]

การก่อสร้างพระอุโบสถหลังใหม่ สร้างขึ้นครอบพระอุโบสถหลังเดิม โดยใช้เทคนิควิศวกรรมสมัยใหม่ โดยไม่มีการเคลื่อนย้ายองค์หลวงพ่อพุทธโสธร และพระพุทธรูปทั้ง 18 องค์ [3]งานออกแบบด้านสถาปัตยกรรม โดยนายประเวศ ลิมปรังษี งานด้านวิศวกรรมโครงสร้าง โดย สำนักออกแบบนายอรุณ ชัยเสรี[4]

ศิลปะภายในพระอุโบสถหลวงพ่อพุทธโสธร ประกอบด้วยภาพจิตรกรรมฝาผนังโดยรอบนับตั้งแต่พื้นพระอุโบสถ เสา ผนัง และเพดานจะบรรจุเรื่องราวให้เป็นแดนแห่งทิพย์ เป็นเรื่องราวของสีทันดรมหาสมุทร จตุโลกบาล สวรรค์ชั้นดาวดึงส์ พรหมโลก ดวงดาว และจักรวาล โดยตำแหน่งของดวงดาวบนเพดาน กำหนดตำแหน่งตรงกับวันที่ 5 กันยายน พ.ศ. 2539 ณ เวลาที่พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัว ทรงประกอบพิธียกยอดฉัตรทองคำ

อนึ่ง ในการสร้างพระอุโบสถใหม่ครั้งนั้น กรมศิลปากรได้ทำการกะเทาะปูนปั้นที่หุ้มองค์หลวงพ่อโสธรออก ทำให้พบว่าหลวงพ่อโสธรเป็นหินทราย 11 ชิ้น ศิลปะอยุธยาตอนต้น โดยพระบาทสมเด็จพระปรมินทรมหาภูมิพลอดุลยเดช พระพรหมคุณาภรณ์ (จิรปุญโญ ด.เจียม กุลละวณิชย์) อดีตเจ้าอาวาสวัดโสธรวรารามวรวิหาร และดร.สุวิชญ์ รัศมิภูติ อดีตอธิบดีกรมศิลปากร ได้ร่วมเป็นพยานบุคคลในการปฏิบัติงานกะเทาะปูนหลวงพ่อโสธรด้วย[5]