Собор Рождества Богородицы — основное сооружение Антониева монастыря. До наших дней собор дошел с переделками и перестройками, авторы реставрации Л.М. Шуляк, Д.М. Федоров. Вместо узких с полуциркульным завершением окон пробиты широкие. Над сводчатым покрытием устроена шатровая железная кровля. Главки получили характерную для позднего времени луковичную форму. Галереи паперти, окружающие собор, также пристроены позднее. Уничтожены древние хоры. В композиции здания интересно ассиметричное расположение трех глав, одна из которых венчает выдвинутую из общего объема круглую башню. В этой башне заключена лестница, ведущая на «полати» современные хоры собора.
В 1975 году Г.М. Штендлер и В.М. Ковалевой было проведено дополнительное исследование собора, из которого видно, что это был одноглавый, четырехстолпный, трехапсидный крестово-купольный храм. Современные западные столбы, это остатки стены. Сохранились фрагменты фресковой росписи в алтаре. Обнаружена фигура, над головой которой надпись «Петр». Предполагается, что это портрет мастера Петра — строителя собора. Здесь совершился, впервые в древней Руси, отход от канона — трехнефного шестистолпного здания, в котором опорные столбы всегда имели крестчатое сечение. Нет и пилястр, соответствующих крайним столбам с западной стороны. Пилястры на северной и южной стенах впоследствии были срублены.
