Главная церковь города стоит на Привокзальной площади, там, где раньше находился спортивный стадион. Это основная церковь Забайкальской епархии, и её архитектурный облик очень красив. Она была выстроена во владимиро-суздальском архитектурном стиле, небесно-голубого цвета с контрастными белыми элементами и золочёными куполами.
Новая крестово-купольная церковь стала не только одной из основных достопримечательностей, но и одним из самых больших соборов в Сибири и на Дальнем Востоке. Максимальная высота здания вместе с крестами составляет около 47 м в самой высокой точке. Главный купол церкви весит более 25 тонн. На колокольне установлены 13 колоколов, главный из них весит около 10 тонн, и это самый могучий колокол во всём Зауралье.
Церковь классической конструкции представляет собой пятикупольное сооружение, к которому пристроена шатровая колокольня. Мощные стены украшены полосами из декоративных углублений; также аркадные пояса огибают барабаны глав и апсиду. Рельефный пояс обрамляет и изящные вытянутые окна, а на стенах можно увидеть декоративные закомары килевидной формы.
Главный придел церкви посвящён Богоматери, левый — канонизированным членам последней царской семьи, а правый — св. Александру Невскому. Под основным алтарём расположен заглублённый крестильный храм, освящённый в честь князя Владимира. Интерьер собора радует глаз. В центре главного придела находится кафедра для епископа, хоры находятся на балконе западной стены. Справа у придела Александра Невского стоит рака с мощами св. Варлаама Чикойского. Наверху можно увидеть большое паникадило, завершённое крестом, а в приделах — боковые, с гербовыми орлами.
При строительстве в основание собора вложили частицу мощей преподобного Сергия Радонежского.
Центральный иконостас выглядит очень впечатляюще. Он устроен по классическому канону, с тремя вратами и иконами, расположенными по чинам. С обеих сторон от главного расположены иконостасы приделов, повторяя по форме главный.
Примечательны иконы храма. На аналоях можно увидеть лики Николая Чудотворца, Сергия Радонежского, Смоленской Божьей Матери. В отдельных киотах из орехового дерева можно увидеть иконы с ликами царской семьи и князя Владимира с Борисом и Глебом.
Главный вход в храм расположен со стороны ул. Бутина, северный — с Амурской улицы, южный — с вокзала.
