Könnte man Ende des 15. und Anfang des 16. Jahrhunderts die hölzernen Kirchen des Borisoglebsky-Klosters als verfallen betrachten. Auf Befehl des Großfürsten Wassili III. und mit seinen Mitteln wurde 1522 anstelle der hölzernen Kirche, die den heiligen Fürsten Boris und Gleb gewidmet war, der erste steinerne Tempel errichtet. Der Bau wurde zwei Jahre später abgeschlossen, und am 22. September 1524 wurde der Tempel geweiht. Man nimmt an, dass er vom talentierten Rostower Meister Grigori Borisov erbaut wurde.

Die Kathedrale von Boris und Gleb ist ein kleiner, vier Säulen tragender, einschiffiger Tempel, typisch für die russische Architektur des 15. und 16. Jahrhunderts. Solche Kathedralen wurden oft in Städten erbaut, und ihr einfacher Stil passte gut zu den Klostergebäuden. Die einzigen Verzierungen der Kathedrale sind die perspektivischen Portale, Gesimse und Archivolten. Die glatten Wände mit niedrigen Fenstern sind durch flache Lisenen in drei ungleiche Teile unterteilt. Über dem vierseitigen Dach erhebt sich die Kuppel auf einer massiven Trommel. Im Osten schließt sich an den Tempel drei abgesenkte Altarapsiden an.

Das ursprüngliche Erscheinungsbild der Kathedrale wurde durch spätere Umbauten verändert. Im Sommer 1778 wurde unter dem Archimandriten Warlaam beschlossen, die Trommel zu erhöhen und die Kuppel durch eine „zwiebelförmige“ zu ersetzen. Diese Arbeiten wurden 1779 abgeschlossen, aber die neue Kuppel störte die Harmonie des Bauwerks. Später wurde sie mit Holzschindeln bedeckt, und 1836 wurden vier hölzerne Trommeln mit Kuppeln hinzugefügt.

Im Jahr 1780 wurde das Dach des Tempels durch ein vierseitiges ersetzt, das den dekorativen Gürtel aus Kokoschki und die alten Fenster verbarg. 1925 entdeckte der Architekt P.D. Baranowski diese und entfernte die späteren Trommeln.

Die Fenster der Kathedrale wurden in der zweiten Hälfte des 17. Jahrhunderts erweitert, als umfangreiche Arbeiten durchgeführt wurden. Damals entstanden auch große Fenster über den Portalen.

Das äußere Erscheinungsbild der Kathedrale wurde auch durch die Kapelle des Propheten Elia verändert, die 1810 angebaut wurde. Beim Bau wurden die alte Vorhalle und die Verzierungen des westlichen Portals zerstört.

Das Innere der Kathedrale ist einfach: glatte Wände, keine Lisenen, Bögen auf vier Säulen. Licht dringt durch schmale Fenster ein. Der Ikonostase, der einst an den östlichen Säulen anlag, war mit rotem Gold vergoldet.

Laut den Klosterverzeichnissen des 18. Jahrhunderts war der Tempel im 16. Jahrhundert nicht bemalt. 1735 gab es in der Kathedrale nur ein Bild von Boris und Gleb, und 1779 wurden die Wände mit Kalkweiß bedeckt. 1783 wurde der Tempel bemalt, und 1842 wurden der Ikonostase und die Wände mit neuer Malerei geschmückt. 1911 wurde der Tempel unter der Leitung des Künstlers F.E. Egorov im byzantinischen Stil bemalt.

Die Wände und Gewölbe des Tempels sind mit Bildern biblischer Szenen und ornamentalen Rahmen bedeckt. An den Säulen und Wänden der Apsiden sind die Moskauer Metropoliten und andere Heilige abgebildet. Die Malereien sind im akademischen Stil ausgeführt.

Im Jahr 1956 entdeckte der Architekt B.A. Ognew ein Fresko aus dem 16. Jahrhundert in der Arkosolie der Nordwand. Darauf sind die heiligen Fürsten Boris und Gleb, die Gründer des Klosters Fjodor und Pawel sowie der Großfürst Wladimir und der Rostower Heiliger Leontij abgebildet.