La Catedral de la Natividad de la Virgen es la principal construcción del Monasterio de Antoniev. Ha llegado hasta nuestros días con cambios y reconstrucciones realizadas por L.M. Shulyak y D.M. Fedorov. Las ventanas estrechas con remate semicircular fueron reemplazadas por anchas, y sobre las bóvedas apareció un techo de hierro en forma de tienda. Las cúpulas adquirieron la forma bulbosa característica de épocas posteriores. Las galerías del pórtico que rodean la catedral fueron añadidas más tarde, y los antiguos coros se han perdido. Una característica interesante de la composición del edificio es la disposición asimétrica de las tres cúpulas, una de las cuales corona una torre redonda que sobresale del volumen general. En esta torre se encuentra una escalera que lleva a los modernos coros de la catedral.

En 1975, G.M. Shtendler y V.M. Kovaleva realizaron una investigación adicional que mostró que la catedral originalmente era un templo de una cúpula, de cuatro pilares y tres ábsides. Los modernos pilares occidentales son restos de la pared. En el altar se han conservado fragmentos de pintura mural, entre los cuales se ha descubierto una figura con la inscripción "Pedro" sobre su cabeza. Se supone que este es el retrato del maestro Pedro, constructor de la catedral. Por primera vez en la antigua Rus, aquí se hizo una desviación del canon del edificio de tres naves y seis pilares, donde los pilares de soporte siempre tenían sección transversal en forma de cruz. Las pilastras correspondientes a los pilares extremos del lado occidental están ausentes, y en las paredes norte y sur fueron cortadas más tarde.