Собор построен построен по проекту и под руководством архитектора И. Баптиста. В литературе существует мнение, что автором проекта является А. Зерникау. После пожара 1731 года архитектура собора была упрощена: были встроены участки северной и южной стен в пределах второго яруса, были разобраны четыре главы, собор вместо семиглавого стал трехглавым. Пожар 1808 года вызвал новые разрушения. При восстановительных работах деревянные конструкции центральной главы были заменены металлическими, но сохранены барочные формы купола, а внешнему облику собора приданы черты классицизма. В 1849 году чугунный пол был заменен на деревянный.
Сохранилась живопись XVII и XVIII веков Сооружение кирпичное, оштукатуренное, побеленное, трехнефное, шестистолпное, трехапсидное. Плановое решение памятника своеобразно. Как показали исследования, оно различно для первого и второго ярусов, что дало необычайную выразительность объемной структуре собора. Если в решении плана по первому ярусу отразилась древняя традиция трехнефных, трехапсидных храмов, то во втором план приобретает форму креста. Для большей выразительности возведены ризалиты, отвечающие трансепту. Собор семиглавый. Пять глав над основным объемом и две над угловыми башнями, фланкирующими главный западный фасад, свидетельствуют о влиянии западного барокко и древнерусской традиции постановки лестничных башен. В северо-западной башне размещена лестница, ведущая на П-образные в плане хоры. Конструкции всех глав, кроме башенных, металлические. Под зданием — глубокие подвалы с шестикамерным склепом.
Перекрытия над подвалом, хорами и основным объемом — кирпичные своды. Крестовые своды перекрывают боковые нефы под хорами, хоры и восточные предапсидные объемы. Полуциркульные своды — над центральным нефом, южной и северной частями трансепта, купол — над барабаном центральной главы.
Фасады членены пилястрами, ярусность подчеркнута развитым карнизом, раскрепованным на пилястрах, как и венчающий карниз. Прямоугольные, квадратные и полуциркульные окна и ниши обрамлены наличниками, треугольные и лучковые сандрики оформляют проемы, по центру южного, северного и западного фасадов — порталы с колонками и разомкнутыми фронтончиками, над ними огромные окна, а над венчающим карнизом — щиты барочных фронтонов. Своеобразен и насыщен декор центральной главы. В интерьере — скромные лепные украшения, ленты лепного орнамента подчеркивают ребра сводов, арки и т. д. Настенная живопись в основном XIX века, только несколько композиций XVIII века.
В настоящее время памятник реставрируется в первоначальных формах, проект реставрации архит. М. М. Говденко. Памятник является выдающимся произведением каменного зодчества Левобережья Украины периода барокко.
