В XVI-XVII веках на территории современного архитектурного комплекса, включающего церкви Ильи Пророка и Варлаама Хутынского, располагался небольшой монастырь, который был закрыт в 1738 году. До 1780 года на месте церкви Варлаама Хутынского стояла небольшая каменная церковь, которую полностью разобрали и заново построили.

Современная церковь Варлаама Хутынского демонстрирует влияние раннего петербургского классицизма, который начал распространяться в Вологде в конце XVIII века. Можно предположить, что её проектировал или строил талантливый столичный мастер, о чём свидетельствуют тщательно проработанные детали декора и изящная колокольня. Уникальность архитектуры церкви среди пятидесяти других в городе, за исключением церкви Николая Чудотворца на Сенной площади, подтверждает это предположение. Однако наличие в Вологде зданий в подобном стиле позволяет думать, что архитектор мог быть и местным.

Церковь Варлаама Хутынского имеет два этажа и небольшие размеры. Западный фасад с главным входом украшен полуротондой, поддерживаемой четырьмя ионическими колоннами. Над ней возвышается высокий четверик колокольни с вогнутыми гранями и углами, оформленными коринфскими колоннами и пилястрами, поддерживающими лёгкий фриз. Колокольню венчает сложный пирамидальный купол с тонким шпилем. Купол над восточной частью здания выполнен в виде овального фонаря с маленькой главкой. Декоративные вазы с лепными гирляндами на постаментах, выступающие в роли двух других глав, придают храму светский характер.

Общий вид церкви несколько испортил широкий контрфорс, добавленный в середине XIX века с левой стороны у ротонды. Левая часть храма отошла от колокольни, которая встроена в здание, из-за чего появилась трещина и потребовалось укрепление боковой стены. Помимо этой пристройки и других мелких изменений, внешне храм сохранился в том виде, в каком был в 1780 году, чего нельзя сказать о его внутреннем убранстве. Особенностью храма является "исповедальное место" в южной части алтаря, что встречается не во многих церквях.