Архитектура собора находится под явным влиянием Успенского собора Московского Кремля — вероятно, зодчие, строившие собор, бывали в Москве и внимательно изучали столичный храм. Многочисленные декоративные элементы: аркатурно-колончатые пояса, горизонтальные тяги филенки и т. п. придают облику храма особую пластическую выразительность, красоту и устойчивость до сих пор. Апсиды храма украшены колонками, придающими им устремленность вверх. Венчают собор пять мощных глав на световых барабанах. Первоначально главы были несколько иными (возможно, шлемовидными), а в XVIII в. их заменили на нынешние луковичные, крытые лемехом. В 1669 г. интерьер собора был расписан мастерами из Ярославля и Костромы — артелью Севастьяна Дмитриева и Иосифа Владимирова, в которой тогда работали и знаменитые мастера Гурий Никитин и Сила Савин, которые позднее расписывали храмы Архиерейского двора. Под их фресками исследователи-реставраторы уже в советское время обнаружили фрагменты более ранних фресок, сделанных в 1589 г. Барочный иконостас, сохранившийся до наших дней, был установлен в соборе при архиепископе Иоакиме в 1736 г. после очередного пожара.