Соборный храм, посвященный Святому и Праведному Прокопию, Устюжскому чудотворцу, занимает второе место по значимости в соборном комплексе после Успенского собора. С 1683 года он стал соборным храмом, а сам Прокопий был похоронен на берегу реки рядом с Успенским собором. Блаженный Прокопий Устюжский был канонизирован 26 февраля 1547 года, умер в 1303 году, а его память отмечается 8 июля. В 1458 году над его гробом построили скромную деревянную часовню, которую в 1471 году заменили первой деревянной церковью. Церковь освятили в честь Бориса и Глеба, покровителей русского воинства, так как Прокопий еще не был причислен к лику святых.

Храм пятиглавый, с колокольней на юго-западном углу, где размещены 10 колоколов, самый большой из которых весит 120 пудов. В 1695 году по указу устюжского епископа Александра колокольню разобрали, а материалы использовали для строительства архиерейского двора. В 1720 и 1724 годах своды Прокопьевского собора были подняты, а несущие столбы убраны. В 1902 году пристроены придел во имя Тихона Задонского, ризница и трапезная. В храме до сих пор хранится гробница с мощами святого Прокопия, устроенная в 1833 году, единственная сохранившаяся после 1917 года. В основании храма заложен черный камень, который, по преданию, выпал из каменной тучи и на котором Прокопий любил сидеть и размышлять. Этот камень венчает его могилу.

Среди достопримечательностей Прокопьевского собора выделяется пятиярусный иконостас с иконами XVII и XVIII веков, вероятно, созданный после перестройки 1720-1724 годов. В местном ряду иконостаса сохранились несколько икон XVI и XVII веков, самая древняя из которых, «Прокопий Праведный в житие». Интерес представляет каменный крест с изображением распятия и Бога Саваофа, вставленный в икону XVII века. 21 марта 1940 года собор был закрыт, а в 1946 году вновь передан верующим. В 1964 году собор снова закрыли и передали краеведческому музею, где разместился филиал музея и планетарий. Рака с мощами святого Прокопия была перенесена в Стефана Пермского кладбищенскую церковь. Через 30 лет, в 1994 году, прихожанам вернули Тихоновский придел Прокопьевского собора, а 31 октября 1995 года, весь Прокопьевский собор. Рака с мощами Прокопия Праведного вернулась на свое первоначальное место.