Казанский собор выстроен в конце XVII века из кирпича в лицевой кладке с обильным применением белого камня. Фасадное убранство в русско-византийском стиле соединяет в себе элементы древнерусского зодчества, отзвуки барокко и классицизма. Свод основного объёма занимают четыре большие композиции, «Коронование Богоматери» на востоке, «Покров» на севере, «Взятие Богоматери на небо» на западе, «Успение» на юге. Росписи свода и верхней части стен выполнены в укрупнённом масштабе, фигуры выглядят монументальнее. Росписи на северной и южной стенах расположены в трёх ярусах. В центре верхних частей стен в круглых медальонах написаны изображения святителей Василия Рязанского, на северной и Иоанна Златоуста, на южной. Под ними помещены фигурные филёнки, заполненные растительным орнаментом, с равноконечными крестами между ними. В двух основных ярусах размещены по две большие композиции. В нижнем ряду они заключены в прямоугольные рамы, в верхнем в рамы с полукруглым завершением. Второй ярус занимают сюжеты «Благовещение», «Введение во храм» на северной стене, «Рождество Богородицы» и «Сретение» на южной стене. Соответственно в нижнем написаны композиции, «Прославление Казанской иконы», «Список иконы подносят царю Ивану Грозному», «Чудеса от Казанской иконы», «Обретение Казанской иконы». Иконография отличается попытками исторически достоверно изобразить костюмы, детали интерьера и утварь XVI века. На западной стене над аркой представлен многофигурная композиция «Прибытие Божией Матери на Афон», вписанная в полукруг. На внутренней поверхности широкой арки из четверика в трапезную, расположено четыре сюжета, а в центре в рост написана фигура Богоматери с Христом-младенцем на руках, стоящая на полумесяце. Данная иконография, Мадонна Апокалипсиса, восходит к западноевропейским образцам и имеет сходство с иконой «Богоматери Виленской». На северном склоне арки изображены композиции «Явление Христа святой Евгении» и «Бегство в Египет», по гравюре Ю. Шнорра фон Карольсфельда, на южном им соответствуют «Евгения поучает жен о девстве» и «Встреча Марии и Елизаветы». В трапезной до настоящего времени дошла орнаментальная гризайльная монументальная живопись и лепные розетки, к которым крепились паникадила. В храме находилось три не сохранившихся ныне иконостаса, выполненных в 1870 году. Подвал под трапезной перекрыт цилиндрическими сводами вдоль стен и крестовыми сводами на углах. Для отопления здесь установлены калориферные печи. Вход в подвал расположен в южной стене трапезной.
