Покровский собор, возведённый в 1689 году, явил собой наиболее яркий пример храма трёхчастного типа — воспроизводящий общие формы украинского деревянного зодчества, одновременно унаследовал от архитектуры русских церквей — двухъярусность, арктуру нижнего этажа с галереей над ней, рисунок наличников. Первоначально собор имел отдельно стоящую колокольню, соединённую с основным объёмом храма галереей. Первый ярус колокольни был кирпичным, верхний ярус — деревянным со сложным барочным завершением. В первой половине XVIII века колокольня собора была реконструирована — вместо деревянного верхнего яруса, был достроен кирпичный. В то же время была построена и трапезная, объединившая собой собор и колокольню.
В основу архитектурной композиции Покровского собора положена схема трёхсрубной украинской деревянной церкви. Влияние русской архитектуры XVII века проявилось в большинстве деталей плана, способе кирпичной кладки, оформлении внешних украшений.
Место возведения храма выбрано там, где крепостная стена ближе всего подходила к обрыву, возвышающемуся над рекой Лопань. Местоположение колокольни собора, её крепкие каменные стены, длинные узкие окна-бойницы, свидетельствуют о том, что она была включена в систему оборонительных укреплений Харьковской крепости.
В 1843 году в склепе Покровского собора был похоронен герой Отечественной войны 1812 года В. В. Орлов-Денисов.
Во время Великой Отечественной Войны Покровский собор был повреждён, но впоследствии — восстановлен.
В годы Советской Власти — Покровский собор не утратил своего предназначения и всегда служил в качестве Православного монастыря. Он был официально признан одним из наиболее ценных памятников украинской архитектуры XVII века и являет собой — наиболее древнее сохранившееся каменное здание Харькова.
По состоянию на 1751 год насельниками монастыря были 11 иеромонахов, 4 иеродиакона и 10 монахов, часть которых преподавала в Коллегиуме, причём ректор Коллегиума являлся также настоятелем монастыря. По примеру ректора Московской академии он носил знаки отличия, приближенные к архиерейским: мантию со скрижалями и панагию.
Программа Коллегиума основывалась на учебном плане Киевской академии, к которому со временем было добавлено изучение математики, истории, географии, французский, немецкий и итальянский. В 1768 году при Коллегиуме были открыты Прибавочные классы с преподаванием прикладных наук, геодезия, инженерное дело, артиллерия, позже — инструментальная музыка, танцы, рисунок, живопись и архитектура, для подготовки дворянских детей к государственной службы. Располагались они за пределами монастыря, на месте библиотеки им. В. Г. Короленко, в 1789 году были отделены от Коллегиума и объединены с Народным училищем в Главное слободско-украинское училище, после основания Харьковского университета переименованное в Слободско-украинскую гимназию.
В первые годы в Коллегиуме обучалось около 400 человек, со временем число учащихся возросло вдвое. Среди выпускников и преподавателей особое место занимает Григорий Сковорода, преподавал поэтику, древнегреческий язык и христианское добронравие, памятник которому в 1992 году был поставлен у монастырской стены со стороны Каскадного сквера. В Коллегиуме учились также М. Т. Каченовский, Я. В. Толмачёв, И. А. Двигубский, Н. И. Гнедич. Прибавочные классы окончил П. А. Ярославский.
В библиотеке монастыря и Коллегиума, первоначально располагавшейся на втором этаже надвратного монастырского здания, хранилось множество редких книг, включая Острожскую Библию 1581 года, Маргарит Иоанна Златоуста 1596 года, Октоихи Московской печати 1618 года, 1683 года и др., Евангелие Московской печати 1636 года, требник Петра Могилы 1646 года, Апостол Львовской печати 1666 года и др. В монастырской ризнице также находилось много памятников церковной старины XVII—XVIII столетий.
В 1786—1788 годах при проведении объявленной Манифестом от 26 февраля 1764 года секуляризации церковных владений в казну были отобраны имения Покровского монастыря, в том числе 3076 десятин земли, 650 душ крестьян, мельницы, винокурни, скотные дворы, сады в губернии и в самом Харькове.
После образования отдельной Слободско-Украинской епархии на территории монастыря была открыта Духовная Консистория, а верхняя церковь Покровского храма до 1846 года служила кафедральным собором епархии. Нижняя церковь во имя Трёх Святителей, в XVII—XVIII столетиях служившая также усыпальницей знатных харьковчан, а в XIX веке — архиереев, некоторое время оставалась за Коллегиумом, который после создания в 1805 году Харьковского университета реорганизован в чисто духовное учебное заведение. При епископе Павле Саббатовском в 1818 году было построено новое каменное здание Коллегиума с домовой церковью, в 1820—1826 годах — новый Архиерейский дом, пристроенный к собору, также с небольшой домовой Крестовой церковью на втором этаже, и трапезная, объединившая храм с колокольней.
В 1846 году архиерейская кафедра была перенесена в Успенский собор вместе со всем штатом белого духовенства. К тому времени монастырь населяли всего 8 монахов. Необходимость совершать богослужения привела к увеличению числа иеромонахов и иеродиаконов, а также монастырской братии вообще. Согласно местной статистике, число монашествующих в Харькове доходило в шестидесятых годах до 52 человек, в семидесятых 40-55 человек, в восьмидесятых 60, в девяностых — 45—46, однако неизвестно, каков процент от этого числа приходится на братию Покровского монастыря.
В конце 1850-х годов усыпальница под нижним храмом монастыря, представлявшая до тех пор просто подвал, была расширена и превращена в церковь, названную так, как прежде называлась нижняя церковь, — Трёхсвятительской. Гробница почитаемого в народе архиепископа Мелетия Леонтовича, устроенная, в отличие от остальных, не в стене, а открыто, была украшена на пожертвования паломников. Пожар, случившийся в церкви в 1875 году уничтожил сень над гробницей, ступени и жестяной гроб, однако внутренний гроб с останками святителя остался цел, что усилило его почитание.
С 1844 года главной святыней монастыря стала Озерянская икона Божией Матери, ежегодно переносившаяся на зимние месяцы из Куряжского монастыря в Покровский. Первоначально она выставлялась в верхней Покровской церкви, где было устроено отопление горячим воздухом. Тесный храм, однако, не мог вместить всех желающих. В 1896 году была освящена Озерянская церковь, построенная по проекту епархиального архитектора В. Х. Немкина в редкой для православной архитектуры базиликальной форме, декорированной византийско-русскими мотивами и двенадцатью московскими главками-луковицами, эффектно контрастирующими с украинскими куполами Покровского собора. Массивное здание нового храма закрыло изящный силуэт Покровского собора со стороны Университетской горки, но вернуло монастырскому комплексу необходимую монументальность, утраченную с началом многоэтажной застройки города. Боковые приделы церкви были освящены в честь апостола и евангелиста Иоанна Богослова и вмч. Димитрия Солунского. Был также устроен нижний храм с усыпальницей, куда из закрывшейся Трёхсвятительской церкви перенесли прах архиепископа Мелетия.
Помимо Озерянской церкви В. Немкиным в монастыре были построены здание Консистории, корпус келий с трапезной на месте старой Консистории, дом настоятеля с главными воротами, не сохранившиеся нижние запасные ворота с часовней со стороны Клочковской улицы. По проекту преемника Немкина, архитектора В. Н. Покровского было перестроено принадлежащее монастырю торговое здание по Университетской, 10, сдававшееся Архиерейским управлением в аренду галантерейной фирме «Жирардовская мануфактура».
В 1922 году монастырь был закрыт, в зданиях размещены сторонние организации. «Жирардовские мануфактуры» и Архиерейский дом служили корпусами Исторического музея; Озерянская церковь, главы которой были снесены — городским архивом, корпус келий и трапезной — военкоматом Дзержинского района.
В 1950-х годах произведена косметическая реставрация разрушавшегося Покровского собора. В 1960-х разработан проект реставрации храма в первоначальном виде — с галереей между церковью и колокольней. Для этого разобрали достроенные в XIX веке трапезную между церковью и колокольней и переходы к Архиерейскому дому и Озерянской церкви. Дальше, однако, дело не пошло, и храм простоял в лесах до самой перестройки.
15 января 1990 года властями было принято решение о возвращении церкви монастырских сооружений, а 8 апреля состоялось освящение и первая служба в Покровском соборе. Процесс передачи шёл постепенно и завершился к середине 1990-х годов.
27 мая 1992 года на территории монастыря прошёл Архиерейский Собор УПЦ, осудивший филаретовский раскол. На соборе архиереями был выбран новый митрополит УПЦ — Владимир Сабодан.
К 2003 году была завершена реставрация Покровского Собора и Озерянской церкви, восстановлены пристройки XIX века. Перед Архиерейским домом, служащим резиденцией Митрополита Харьковского и Богодуховского и зданием Епархиального управления, установлены памятные знаки 2000-летию Рождества Христова и 200-летию Харьковской епархии.
