Прямоугольный в плане собор имеет трехчастную структуру. По оси на западо-восток размещены трапезная, основной объем и апсида. Основной центральный объем представляет собою стройный двухсветный четверик, покрытый на четыре ската и увенчанный пятью главами, барабаны которых оформлены колончатой аркатурой. Трапезная одноэтажная с трехскатной кровлей, апсида несколько удлиненная и завершается небольшим барабанчиком с фигурной главкой.
Снаружи храм покоряет своим нарядным декоративным убором. В карнизной части собор завершается фризом из кокошников килевидной формы, который зрительно опирается на сложно декорированный поясок, идущий по всему периметру объема. Оконные проемы, забранные кованными решетками, богато отделаны наличниками разнообразной формы с сочной профилировкой в завершениях. Входы решены перспективными порталами с коваными металлическими дверями. Кресты на главах тоже кованые, ажурные, а сами главы покрыты цветной черепицей с коричневой, желтой и зеленой поливой, что создает очень живописную картину, особенно когда все это начинает играть и переливаться в солнечных лучах.
Особым изяществом отмечено убранство апсиды. Ее трехчастность традиционно подчеркнута тремя полукружиями и тремя оконными проемами, оформленными лаконичными наличниками с килевидными очельями. Но в декор мастера ввели и совершенно новые мотивы и детали. Центральное полукружие, например, с обеих сторон по вертикали обрамлено целой гирляндой изящных полуколонок. В центре каждой из таких гирлянд контрастно выступает одна более мощная и объемная, которая, в свою очередь, обрамлена пучком более тонких колонок, средняя из которых тоже выступает над боковыми. Они опираются на фигурный цоколь, составленный из разнообразных архитектурных обломов. По верху же, у карниза, идет орнаментальный пояс из узора в виде Ж-образного мотива, уже применявшегося на апсиде Благовещенского собора.
Не меньшую выразительность имеет внутреннее пространство храма, хотя оно и решено лаконично. Интерьер основного объема очень цельный и просторный, насыщен светом. Это достигнуто за счет того, что он бесстолпный, а на стенах расположено два ряда окон, помещенных в арочные ниши со световыми скосами. К тому же сомкнутый свод, которым перекрыт основной объем, переходит в центре в световой барабан. Отличаясь богатством и разнообразием композиционных, объемно- планировочных и декоративных решений, собор предстает как один из наиболее выдающихся памятников Гороховца XVII столетия.