Собор Рождества Богородицы является главным сооружением Антониева монастыря. До наших дней он дошел с изменениями и перестройками, выполненными Л.М. Шуляком и Д.М. Федоровым. Узкие окна с полуциркульным завершением заменены на широкие, а над сводами появилась шатровая железная крыша. Купола приобрели характерную для более позднего времени луковичную форму. Галереи паперти, окружающие собор, были пристроены позже, а древние хоры утрачены. Интересной особенностью композиции здания является асимметричное расположение трех глав, одна из которых венчает круглую башню, выступающую из общего объема. В этой башне находится лестница, ведущая на современные хоры собора.

В 1975 году Г.М. Штендлер и В.М. Ковалева провели дополнительное исследование, которое показало, что собор изначально был одноглавым, четырехстолпным, трехапсидным крестово-купольным храмом. Современные западные столбы являются остатками стены. В алтаре сохранились фрагменты фресковой росписи, среди которых обнаружена фигура с надписью "Петр" над головой. Предполагается, что это портрет мастера Петра, строителя собора. Впервые в древней Руси здесь был сделан отход от канона трехнефного шестистолпного здания, где опорные столбы всегда имели крестчатое сечение. Пилястры, соответствующие крайним столбам с западной стороны, отсутствуют, а на северной и южной стенах они были позднее срублены.