A finales del siglo XV y principios del XVI, las iglesias de madera del monasterio de Borisoglebsk estaban en decadencia. Por orden del gran príncipe Vasili III y con sus fondos, en 1522 se fundó el primer templo de piedra en el lugar de la iglesia de madera, dedicada a los santos príncipes Boris y Gleb. Su construcción se completó dos años después, y el 22 de septiembre de 1524, el templo fue consagrado. Se considera que fue construido por el talentoso maestro de Rostov, Grigori Borisov.

La catedral de Boris y Gleb es un pequeño templo de una sola cúpula y cuatro pilares, típico de la arquitectura rusa de los siglos XV-XVI. Estas catedrales a menudo se construían en las ciudades, y su aspecto sencillo se adaptaba bien a las estructuras monásticas. Las únicas decoraciones de la catedral son los portales en perspectiva, los cornisas y los arquivoltas. Las paredes lisas con ventanas bajas están divididas por pilastras planas en tres partes desiguales. Sobre el techo a cuatro aguas se eleva la cúpula sobre un potente tambor. Al este, el templo está adyacente a tres ábsides altar bajos.

La apariencia original de la catedral fue alterada por reconstrucciones posteriores. En el verano de 1778, bajo el archimandrita Varlaam, se decidió elevar el tambor y reemplazar la cúpula por una "en forma de cebolla". Estos trabajos se completaron en 1779, pero la nueva cúpula rompió la armonía de la construcción. Posteriormente, fue cubierta con escamas de madera, y en 1836 se añadieron cuatro tambores de madera con cúpulas.

En 1780, el techo del templo fue reemplazado por uno a cuatro aguas, ocultando un friso decorativo de kokoshniks y ventanas antiguas. En 1925, el arquitecto P.D. Baranovsky las descubrió y retiró los tambores posteriores.

Las ventanas de la catedral fueron ampliadas en la segunda mitad del siglo XVII, cuando se realizaron trabajos a gran escala. En ese momento también aparecieron grandes ventanas sobre los portales.

La apariencia externa de la catedral también fue alterada por la capilla de Elías el Profeta, añadida en 1810. Durante su construcción, se destruyeron la antigua pórtico y las decoraciones del portal occidental.

El interior de la catedral es sencillo: paredes lisas, ausencia de pilastras, arcos sobre cuatro pilares. La luz entra a través de ventanas estrechas. El iconostasio, que alguna vez estuvo adyacente a los pilares orientales, fue dorado con oro rojo.

Según los inventarios del monasterio del siglo XVIII, el templo no estaba pintado en el siglo XVI. En 1735, en la catedral solo había la imagen de Boris y Gleb, y en 1779 las paredes estaban cubiertas con cal. En 1783, el templo fue pintado, y en 1842 el iconostasio y las paredes fueron decorados con nueva pintura. En 1911, bajo la dirección del artista F.E. Egorov, el templo fue pintado en estilo bizantino.

Las paredes y bóvedas del templo están cubiertas con pinturas de temas evangélicos con marcos ornamentales. En los pilares y paredes de los ábsides se representan a los metropolitas de Moscú y otros santos. Las pinturas están realizadas en un estilo académico.

En 1956, el arquitecto B.A. Ognev descubrió un fresco del siglo XVI en el arcosolio de la pared norte. En él están representados los santos príncipes Boris y Gleb, los fundadores del monasterio Fedor y Pavel, así como el gran príncipe Vladimir y el santo de Rostov Leoncio.