El templo fue construido en el lugar de una iglesia de madera, desmantelada en 1776, y se erigió entre 1776 y 1788. En 1858, debido a la deformación de las bóvedas del nivel superior, fue reconstruido de dos niveles a uno solo. La apariencia moderna del templo se adquirió tras una reconstrucción capital realizada en 1882 y 1892, según el proyecto del arquitecto M.I. Lovtsov. Los trabajos se llevaron a cabo en dos etapas: en 1882 y 1885 se construyó un campanario de 56 metros y se reconstruyó el vestíbulo, y en 1888 y 1892 se reestructuró el resto del edificio.

Las numerosas reconstrucciones se reflejan en la arquitectura del monumento, que incluye elementos de varios estilos: clasicismo, barroco y renacimiento. El edificio es de ladrillo, enlucido, de planta cruciforme, con ramas laterales poco desarrolladas y un ábside semicircular que sobresale hacia el este. Es de una sola cúpula, de dos luces, con un campanario adosado en ángulo agudo desde el oeste. El ábside tiene la misma altura que los volúmenes principales de la catedral, está cubierto por una concha y está rodeado por una galería de paso con bóveda semicircular. La parte central interior es octogonal, cubierta por una cúpula sobre un alto tambor redondo, que se apoya en una bóveda cerrada del octógono. Las ramas laterales están cubiertas por una bóveda.

El vestíbulo está dividido en tres naves por cuatro columnas y está cubierto por un sistema de bóvedas cerradas y de arcos cruzados. Las fachadas están decoradas con un cornisa que divide el edificio al nivel de las ventanas superiores en dos partes, así como con pilastras, reforzadas en los cornisa, y pilastras de órdenes jónico y corintio. Las ramas laterales están adornadas con pórticos con columnas de dos niveles emparejadas, separadas por un cornisa. Las columnas inferiores tienen capiteles del orden corintio, las superiores, del jónico. Los tímpanos de los frontones están cubiertos con relieves de carácter vegetal.

El tambor de la cúpula con una cabeza ovalada dorada está decorado con columnas corintias emparejadas, instaladas en los muros de las ventanas arqueadas, enmarcadas por molduras. En la base del tambor hay una plataforma de observación, cercada por un parapeto con balaustres. En las esquinas de la plataforma, sobre pedestales, se instalan esculturas de bronce de tres metros.

En la composición arquitectónica domina el campanario de cinco niveles, claramente expresado en estilo barroco. Los dos niveles inferiores se adosan al vestíbulo, los otros tres forman una torre cuadrada con paredes cóncavas y haces de columnas del orden corintio en las esquinas. Todo el edificio se eleva hacia arriba, lo que se acentúa con la reducción de cada nivel superior y los alargados arcos de las aberturas. Sobre las aberturas del nivel superior se instalan relojes con campanas. El campanario termina con una cabeza dorada con una cúpula alargada y cuatro figuras en las esquinas. El nivel inferior del campanario tiene un portal arqueado de la entrada principal y dos adiciones laterales con frontones barrocos.

A través de un enorme arco del vestíbulo, en el interior se puede ver claramente la parte central que se eleva hacia arriba. Las extensas superficies de las paredes y las bóvedas están cubiertas con un fino pintado ornamental de carácter geométrico. La pintura en el interior fue realizada por los artistas V.E. Makovsky y K.V. Lebedev. Algunas obras de V.E. Makovsky se conservan en el Museo de Arte de Sumy.