À la fin du XVe et au début du XVIe siècle, les églises en bois du monastère de Borisoglebsk étaient en déclin. Par ordre du grand prince Vassili III et à ses frais, en 1522, sur le site de l'église en bois dédiée aux saints princes Boris et Gleb, la première église en pierre a été fondée. Sa construction s'est achevée deux ans plus tard, et le 22 septembre 1524, l'église a été consacrée. On pense qu'elle a été construite par le talentueux maître de Rostov, Grigori Borisov.

La cathédrale Boris et Gleb est un petit temple à un dôme et à quatre piliers, typique de l'architecture russe des XVe et XVIe siècles. De telles cathédrales étaient souvent construites dans les villes, et leur apparence simple convenait bien aux structures monastiques. Les seules décorations de la cathédrale sont des portails en perspective, des corniches et des archivoltes. Les murs lisses avec de petites fenêtres sont divisés par des pilastres plats en trois parties inégales. Au-dessus du toit à quatre pentes se dresse le dôme sur un puissant tambour. À l'est, trois absides d'autel abaissées sont adjacentes au temple.

L'apparence originale de la cathédrale a été modifiée par des reconstructions ultérieures. À l'été 1778, sous l'archimandrite Varlaam, il a été décidé d'élever le tambour et de remplacer le dôme par un dôme en forme d'oignon. Ces travaux se sont achevés en 1779, mais le nouveau dôme a perturbé l'harmonie de la construction. Par la suite, il a été recouvert d'écailles de bois, et en 1836, quatre tambours en bois avec des dômes ont été ajoutés.

En 1780, le toit du temple a été remplacé par un toit à quatre pentes, cachant une frise décorative en kokoshniks et des fenêtres anciennes. En 1925, l'architecte P.D. Baranovski a découvert celles-ci et a retiré les tambours tardifs.

Les fenêtres de la cathédrale ont été élargies dans la seconde moitié du XVIIe siècle, lorsque des travaux d'envergure ont été réalisés. À cette époque, de grandes fenêtres sont également apparues au-dessus des portails.

L'apparence extérieure de la cathédrale a également été modifiée par la chapelle d'Élie le Prophète, ajoutée en 1810. Sa construction a détruit l'ancienne porte et les décorations du portail occidental.

L'intérieur de la cathédrale est simple : murs lisses, absence de pilastres, arcs sur quatre piliers. La lumière pénètre par des fenêtres étroites. Le retable, autrefois adjacent aux piliers orientaux, était doré à l'or rouge.

Selon les inventaires monastiques du XVIIIe siècle, le temple n'était pas peint au XVIe siècle. En 1735, il n'y avait qu'une image de Boris et Gleb dans la cathédrale, et en 1779, les murs étaient recouverts d'un badigeon à la chaux. En 1783, le temple a été peint, et en 1842, le retable et les murs ont été ornés de nouvelles peintures. En 1911, sous la direction de l'artiste F.E. Egorov, le temple a été peint dans le style byzantin.

Les murs et les voûtes du temple sont couverts de peintures sur des sujets évangéliques avec des cadres ornementaux. Sur les piliers et les murs des absides sont représentés les métropolites de Moscou et d'autres saints. Les fresques sont réalisées dans un style académique.

En 1956, l'architecte B.A. Ogniev a découvert une fresque du XVIe siècle dans l'arc-saule du mur nord. Elle représente les saints princes Boris et Gleb, les fondateurs du monastère Fiodor et Pavel, ainsi que le grand prince Vladimir et le saint de Rostov Léonti.