Храм был построен на месте деревянной церкви, разобранной в 1776 году, и возводился с 1776 по 1788 год. В 1858 году, из-за деформации сводов верхнего яруса, его перестроили из двухъярусного в одноэтажный. Современный облик храм приобрел после капитальной реконструкции, проведенной в 1882, 1892 годах по проекту архитектора М.И. Ловцова. Работы проходили в два этапа: в 1882 и 1885 годах была построена 56-метровая колокольня и реконструирован притвор, а в 1888, 1892 годах перестроили остальную часть здания.

Многочисленные перестройки отразились на архитектуре памятника, которая включает элементы различных стилей: классицизма, барокко и ренессанса. Здание кирпичное, оштукатуренное, крестовое в плане, с слабо развитыми боковыми ветвями и полукруглой апсидой, выступающей с востока. Оно однокупольное, двухсветное, с колокольней, пристроенной под острым углом с запада. Апсида имеет такую же высоту, как и основные объемы собора, перекрыта конхой и снаружи окружена обходной галереей с полуциркульным сводом. Центральная часть внутри восьмигранная, перекрыта куполом на высоком круглом барабане, который опирается на срезанный сомкнутый свод восьмигранника. Боковые ветви перекрыты сводом.

Притвор разделен на три нефа четырьмя столбами и перекрыт системой сомкнутых и крестовых сводов. Фасады украшены карнизом, разделяющим здание на уровне верхних окон на две части, а также лопатками, раскрепованными по карнизам, и пилястрами ионического и коринфского ордеров. Боковые ветви украшены портиками со спаренными двухъярусными колоннами, разделенными карнизом. Нижние колонны имеют капители коринфского ордера, верхние, ионического. Тимпаны фронтонов покрыты лепкой растительного характера.

Барабан купола с позолоченной яйцевидной главой украшен спаренными коринфскими колоннами, установленными в пристенках арочных окон, обрамленных наличниками. У основания барабана расположена видовая площадка, огражденная парапетом с балясинами. По углам площадки на тумбах установлены бронзовые трехметровые скульптуры.

В архитектурной композиции доминирует пятиярусная колокольня, ярко выраженная в барочном стиле. Нижние два яруса примыкают к притвору, остальные три образуют четырехугольную башню с вогнутыми стенами и пучками колонн коринфского ордера по углам. Все сооружение устремлено вверх, что усиливается сужением каждого верхнего яруса и вытянутыми арочными проемами. Над проемами верхнего яруса установлены часы с курантами. Колокольня завершается позолоченной главой с вытянутой луковичной главкой и четырьмя фигурами на углах. Нижний ярус колокольни имеет арочный портал главного входа и две боковые пристройки с барочными фронтонами.

Через огромную арку притвора в интерьере хорошо видна устремленная вверх центральная часть. Обширные плоскости стен и своды покрыты тонкой орнаментальной росписью геометрического характера. Живопись в интерьере выполняли художники В.Е. Маковский и К.В. Лебедев. Некоторые работы В.Е. Маковского хранятся в Сумском художественном музее.