Собор был возведен на месте старого деревянного храма и отражает новые архитектурные принципы того времени. Это массивное здание, окруженное галереями, которые визуально соединяют его с соседними постройками. Храм, стоящий на высоком цоколе, имеет четыре столпа и окружен двухэтажной обходной галереей. С восточной стороны к нему примыкает трехапсидная алтарная часть с узкими высокими окнами, расположенными в глубоких нишах. Апсиды отделены друг от друга гладкими колонками и украшены резным карнизом с мелким орнаментом.

Галерея завершается легкой крытой аркадой, а лестницы ведут на нее с северо-западного и юго-западного углов. Интерьер собора отличается аскетичностью, что объясняется его первоначальным использованием как храма-усыпальницы для знатных инокинь, чьи могилы находятся в мрачном подцерковье. Во время реставрации 1962 года под руководством И.А. Столетова были обнаружены интересные детали внутренней отделки: пол был выложен черной плиткой, а стены никогда не украшались росписью. Однако собор не был лишен украшений, о чем свидетельствуют иконы и расшитые покровы, хранящиеся в музее, созданные самими монахинями. Здание неоднократно подвергалось изменениям: надстраивались барабаны, шлемовидные купола заменялись на луковичные, арочные проемы галереи закладывались. Как и любое активно используемое здание, собор перестраивался в соответствии с нуждами владельцев. Лишь в 1962 году после реставрации ему вернули первоначальный облик. В 1980-е годы в отреставрированных помещениях музейного комплекса разместились гостиничные номера и бары-рестораны, а в соборе функционировал концертный зал. В 1992 году обитель была возвращена Православной церкви, и теперь здесь вновь действует монашеская община.