Вход в пещерный собор вырезан в так называемых дивах, меловых останцах, которыми известна Воронежская область. Своды пещеры поддерживаются 12 меловыми колоннами. До революции храм имел укрепленный вход, колодец и замаскированный запасной выход, что позволяло выдерживать длительную осаду. Некоторые коридоры пещерного собора закрыты для посещения, а входы в них задрапированы.

Главный престол собора посвящен Спасу Нерукотворному. Освещение здесь обеспечивается лишь несколькими свечами и лампадами. Главная святыня монастыря, Костомаровская икона Валаамской Божией Матери, по преданию, подаренная монастырю императором Александром I. На иконе видны следы от пуль: по легенде, красноармеец стрелял в нее шесть раз, но так и не попал в лики Богородицы и Христа. В некоторых источниках ее называют Валаамская "Расстрельная". В 2002 году икона замироточила, хотя написана она на железе. Еще одна почитаемая икона в монастыре, "Труд святого семейства". В левом приделе святых мучениц Веры, Надежды, Любови и их матери Софии в 2011 году на стенах, прямо в меловой породе, были вырезаны иконы мастером из Белгорода.

С 1943 года верующие жители Костомарово несколько лет добивались открытия приходской церкви в пещерах. Разрешение было получено только в 1946 году. В этот период расширили ход, ведущий вглубь Спасского храма, и в этом расширении создали придел. Вдохновителем и активным строителем этого проекта считают блаженного Андрея, который несколько лет провел здесь в затворе.