Здание храма представляет собой двусветный четверик, украшенный двумя рядами декоративных кокошников и пятью луковичными главками. К нему примыкает трёхчастный алтарь и двухпридельная трапезная с запада, а также трёхъярусная шатровая колокольня. В основании шатра расположен пояс кокошников в шахматном порядке и двойной фриз из изразцов. Сам шатёр имеет ряды декорированных отверстий для выпуска звуковой волны и предотвращения трещин. На колокольне было шесть колоколов. Кованые ажурные кресты украшают здание, а на нижней перекладине центрального креста можно увидеть год установки, 1783. На четырёхскатной кровле расположены пять барабанов с луковичными главами, центральный из которых световой, а остальные ложные. Низкий трёхапсидный алтарь с высокой барочной кровлей колоколообразной формы увенчан маленькой главкой.

Приделы храма, Андреевский, Димитриевский, Екатерининский и Сретенский. В интерьере сохранились остатки живописи с пышной барочной лепниной.

Церковь была освящена в 1723 году и обновлялась в XVIII и XIX веках. В 1753 году в церкви произошёл сильный пожар, который уничтожил внутреннее убранство и иконостас. В 1755 году церковь была отремонтирована и приобрела нынешний вид.

В 1930-х годах церковь закрыли и использовали для различных хозяйственных нужд, включая спортзал и музей. С 1988 года до начала 1990-х годов отряд «РеставросЪ» занимался ремонтом церкви, включая отведение грунтовых вод от фундамента, восстановление оконных проёмов, кованых решёток и каменного декора, а также замену обветшавших изразцов.

В 2011 и 2012 годах, в рамках подготовки к юбилею города, был проведён обширный комплекс ремонтно-реставрационных работ, финансируемых из федерального бюджета. Были расчищены и отштукатурены стены, при этом сохранены лепнина и фрагменты оригинальных фресок. В августе 2012 года архиепископ Вологодский и Великоустюжский Максимилиан отслужил в церкви Спаса Всемилостивого первый молебен после реставрации.