В XVI-XVII веках на месте современного архитектурного ансамбля, состоящего из церквей Ильи Пророка и Варлаама Хутынского, был небольшой монастырь, упраздненный в 1738 году. До 1780 года на месте церкви Варлаама Хутынского существовала небольшая каменная церковь, которая была до основания разобрана и перестроена.
Современная Варлаамо-Хутынская церковь отражает влияние раннего петербургского классицизма , это новое архитектурное течение начинает распространяться в Вологде в конце XVIII века. Можно с большой уверенностью предположить, что эту церковь, если не строил, то проектировал незаурядный столичный мастер. Об этом говорят блестяще проработанные детали убранства здания и особенно стройная, легко вздымающаяся вверх колокольня. Одинокое в архитектурном отношении положение церкви, среди пятидесяти остальных церквей города, кроме церкви Николая Чудотворца на Сенной площади, подтверждает это предположение. Впрочем, присутствие в Вологде подобных по стилю гражданских построек позволяет предполагать, что архитектор мог быть и местным жителем.
Церковь Варлаама Хутынского двухэтажная, небольшая. Западный фасад здания с главным входом украшает полуротонда, поддерживаемая четырьмя стройными ионическими колоннами. Над ней в глухом рустованном кубе возвышается высокий сквозной четверик звона колокольни, грани которого вогнуты, а срезанные углы оформлены парными коринфскими колонными и пилястрами. Пилястры поддерживают скромный и легкий фриз. Венчает колокольню сложный пирамидальный купол с тонким грушевидным шпилем. Интересен купол надвосточной частью здания в виде необычного овального изящного фонаря с маленькой главкой. В роли двух других глав на основном объеме храма неожиданно выступают декоративные вазы на постаментах с лепными гирляндами, делающими вазы очень нарядными. Столь уникальное использование ваз великолепно соответствует общему, чисто светскому характеру нарядной архитектуры храма.
Несколько портил общий вид церкви широкий контрфорс, пристроенный в середине XIX века с левой стороны у ротонды. Левая часть храма несколько отошла от колокольни, колокольня как бы встроена в храм, до земли идут самостоятельные капитальные стены, появилась трещина и необходимость заставила укрепить боковую стену. Кроме этой пристройки и других мелких переделок, по всей вероятности, внешне храм сохранился в том же виде, каким он был в 1780 году, чего нельзя сказать о его внутреннем убранстве. Как на особую, встречающуюся не во многих церквях, принадлежность храма можно указать на «исповедальное место», находящееся в южном отделении алтаря.
