L'ensemble architectural du monastère de Shartom s'est principalement formé au cours de la seconde moitié du XVIIe siècle et de la première moitié du XIXe siècle. L'élément central de cet ensemble est la cathédrale de Nicolas, qui est considérée comme le plus ancien bâtiment du monastère. Dans une pétition adressée à Alexeï Mikhaïlovitch, l'archimandrite Ioasif décrit comment, après l'incendie de 1649, le doyen du monastère, qui collectait des fonds pour le monastère, a été tué et volé par Ivan Akhmetev. Cela témoigne du fait que les fonds pour la construction du monastère au milieu du XVIIe siècle provenaient principalement des paysans des terres monastiques. Comme il n'y a pas eu de réponse du tsar, les fonds ont été collectés à nouveau, et dès 1651, une nouvelle cathédrale en pierre a été consacrée par l'archevêque de Souzdal et de Torousk, Séraphion. Cependant, il n'est pas possible d'affirmer avec certitude que la construction de la cathédrale a été achevée cette année-là, car la date provient d'une croix qui a pu être consacrée plus tôt ou pendant l'édification du temple. Ainsi, bien que 1651 soit considérée comme l'année de fondation, il est possible que le monastère n'ait été achevé qu'à la seconde moitié des années 1650.

La cathédrale de Nicolas a traversé avec le monastère le déclin de la fin du XVIIIe siècle, lorsque tous les biens ont été perdus, l'apogée de la seconde moitié du XIXe siècle et la ruine du XXe siècle.

La cathédrale est un temple à quatre piliers avec quatre coupoles en forme d'oignon vertes et une coupole dorée. Le toit, probablement depuis sa construction, était à quatre pentes, mais dans l'ensemble, l'architecture de la cathédrale reste conservatrice. Les fondations sont en galets, en granit et partiellement en pierre blanche. Les murs extérieurs sont recouverts de chaux sur brique. La division extérieure des murs en pilastres se poursuit à l'intérieur de la cathédrale. La coupole centrale est décalée vers l'est, ce qui a également déplacé les piliers vers l'est. Le travée occidentale est la plus large, la centrale est plus étroite, et l'orientale est la plus étroite, ce qui est construit selon le principe du nombre d'or. L'autel à trois absides est deux fois plus bas que le carré du temple, ce qui lui donne un aspect austère. Les fenêtres de la cathédrale sont longues et étroites, disposées en deux niveaux. Les fenêtres du niveau inférieur ont des encadrements avec une finition en forme de coin, tandis que les fenêtres du second niveau sont sans encadrement. La fenêtre centrale, la fenêtre de l'autel, est la seule à être en arc, et l'apside sud dépasse légèrement celle du nord.

À l'intérieur de la cathédrale, les murs sont plâtrés, et des vestiges de peinture à la tempera du début du XIXe siècle ont été conservés. Au moment de la transmission du monastère à l'Église, l'intérieur de la cathédrale avait été presque entièrement détruit. Sur les murs intérieurs, les voûtes et les arêtes des piliers, des endroits ont conservé du plâtre avec des restes de fresques. Trois portails en perspective sont composés de quarts alternés et de demi-ovales. Le portail nord est décoré d'éléments en pierre blanche sculptés, rappelant les portails de l'architecture de Vladimir-Souzdal des XIIe-XIIIe siècles. Le socle est décoré d'un rebord. Dans le temple se trouvent des icônes anciennes. À gauche du chœur se trouvent les icônes de la Mère de Dieu de Tikhvine et de Shouï-Smolensk, et à droite, une image non faite de la main du Sauveur d'une écriture expressive. Par leur taille, on peut supposer que ces icônes se trouvaient autrefois sur l'iconostase d'un autre temple local.