Возведен на месте деревянной церкви, разобранной в 1776 году. Строился с 1776 года по 1788 год. В 1858 году из-за прогрессирующей деформации сводов верхнего яруса он был перестроен из двухъярусного в одноэтажный. Современный вид храм приобрел после капитальной реконструкции, произведенной в 1882-1892 годах по проекту архит. М.И. Ловцова. Работы велись в два этапа: в 1882—1885 годах построена 56-метровая колокольня и реконструирован притвор, в 1888-1892 годах перестроена остальная часть здания.
Неоднократные перестройки наложили определенный отпечаток на архитектуру памятника: она отражает элементы разных стилей — классицизма, барокко и ренессанса. Кирпичный, оштукатуренный, крестовый в плане, со слабо развитыми боковыми ветвями и полукруглой выступающей апсидой с востока, однокупольный, двухсветный, с колокольней, пристроенной под острым углом с запада. Апсида одной высоты с основными объемами собора, перекрыта конхой, с внешней стороны охвачена обходном галереей с полуциркульным сводом. Центральная часть сооружения внутри восьмигранная, перекрыта куполом на высоком круглом барабане, опирающемся на срезанный сомкнутый свод восьмигранника, боковые ветви сомкнуты сводом.
Притвор четырьмя столбами разделен на три нефа, перекрыт системой сомкнутых и крестовых сводов. Фасады оформлены карнизом, членящим здание на уровне верхних окон на две части, лопатками, раскрепованными по карнизам, пилястрами ионического и коринфского ордеров. Боковые ветви украшают портики со спаренными двухъярусными колоннами, разделенными карнизом. Нижние колонны с капителями коринфского ордера, верхние — ионического. Тимпаны фронтонов покрыты лепкой растительного характера.
Барабан купола с позолоченной яйцевидной главой украшают спаренные коринфские колонны, установленные в пристенках арочных окон, обрамленных наличниками. У основания барабана устроена видовая площадка, огражденная парапетом с балясинами. По углам площадки на тумбах установлены бронзовые трехметровые скульптуры.
Во всей архитектурной композиции главенствует пятиярусная колокольня, имеющая ярко выраженный барочный характер. Нижние два яруса примыкают к притвору, остальные три образуют четырехугольную башню с вогнутыми стенами и пучками колонн коринфского ордера по углам. Все сооружение устремлено ввысь. Это впечатление усиливается сужением каждого верхнего яруса и сильно вытянутыми арочными проемами. Над проемами верхнего яруса установлены часы с курантами. Завершается колокольня позолоченной главой с вытянутой луковичной главкой и четырьмя фигурами на углах. Нижний ярус колокольни — с арочным порталом главного входа и двумя боковыми пристройками с барочными фронтонами.
В интерьер через огромную арку притвора хорошо видна взметнувшаяся вверх центральная часть. Обширные плоскости стен и своды покрыты тонкой орнаментальной росписью геометрического характера. Живопись в интерьере выполняли художники В. Е. Маковский и К. В. Лебедев. Некоторые работы В. Е. Маковского хранятся в Сумском художественном музее.
