Основу существующего двухэтажного здания составляет храм времен царя Алексея Михайловича. В результате перестроек начала XVIII века собор приобрел свой современный вид.
Крестчатый в плане ярусный храм относится к типу «восьмерик на четверике». Центральные ризалиты четверика завершаются полукруглыми фронтонами — так называемыми «полуглавиями» — с круглыми окошками в центре. Углы восьмериков оформлены пилястрами композитного ордера. Внешнее построение объемов верхнего храма соответствует композиции церкви Иоанна Воина на Якиманке, но здесь применено иное конструктивное решение: переход от четверика к восьмерику осуществлен при помощи распалубков, а не тромпов.
Собор неоднократно ремонтировался на протяжении XVIII и XIX веков, но существенных изменений не претерпел, лишь в 1851 году малый восьмерик был увенчан изящной ротондой с луковичной главой. Иконостас конца XVIII века уничтожен в советское время, ныне восстановлен в формах, близких к первоначальным.