Казанский собор был возведен в русском стиле конца 80-х и 90-х годов XIX века, который тяготел к узорочью. Архитектором выступил Василий Антонович Косяков.

Основное здание трехпридельного храма имеет квадратную форму, усложненную с западной стороны притвором, который немного ниже основного объема, и с восточной стороны трехчастной апсидой с обходной галереей, также более низкой, чем сами апсиды. У храма три одинаковых входа: главный с запада и два боковых с севера и юга, к каждому ведет высокая лестница. У западного входа лестница прямая и широкая, а у боковых, узкие двухмаршевые. Три арочных крыльца с гирьками опираются на резные колонны, завершающиеся крутыми треугольными фронтонами. Собор отличается высокими, узкими, щелевидными окнами. Окна первого этажа обрамлены рамочными наличниками. В центре всех фасадов, кроме западного, расположена большая килевидная закомара. На северном, западном и южном фасадах находятся большие резные фронтоны, образованные двумя пилястрами, соединяющимися полукружием вверху. Пилястры украшены ширинками. По трем фасадам идут карнизы с дентикулами. Здание венчает мощное пятиглавие. Изначально все барабаны были световыми, но после восстановления куполов в конце XX века окна четырех меньших глав были заложены. Сейчас только центральная глава остается световой, открытой в пространство интерьера. Основания боковых глав украшены поясами кокошников. Одна из боковых глав теперь служит колокольней. Храм поднят на высокий цоколь и выполнен из красного кирпича с ажурной кладкой. Вместо облицовочной плитки собор был покрашен золотисто-песчаной краской, которая со временем облезла и сохранилась лишь местами. Внешнее убранство собора отличается симметрией и пропорциональностью.

Первоначально храм задумывался как зимний, в подвале были установлены две большие печи, а в стенах проложены дымоходы. Однако для отопления требовалось слишком много древесины и угля, поэтому он использовался только как летний храм.

Внутреннее убранство собора всегда было скромным. Расписана была только алтарная часть, остальное пространство покрашено белой краской. Ранее колонны и карнизы украшали лепные гипсовые орнаменты. В храме была высокая шестиступенчатая солея с двухъярусным киотным иконостасом, который не сохранился. Солея была отделана цветной плиткой. В окнах редко встречаются цветные стекла. На четырех мощных цепях от перекрещивающихся арок сводов, поддерживающих купол, висело массивное медное паникадило, ныне утраченное. Перекрестия арок сводов также были украшены лепниной. На крыше собора центральную световую главу окружает крытая галерея с выходами в пространство барабанов боковых глав. На западной стене расположены хоры.

По северной стене собора сейчас находится небольшой музей ценностей Даниловского монастыря, которые удалось сохранить после его закрытия. В основном это предметы обихода и личного пользования бывших настоятелей собора и сестер: одежда, посуда, швейная машинка и другие.

Между южной и западной стенами внутри собора устроен маленький храм, где в настоящее время проходят службы. Храм отапливается, что позволяет проводить там службы круглый год. Он был расписан местным художником Владимиром Середой в 2005 году.