Здание имеет форму греческого креста, положенного на квадрат. Длина и ширина храма равны и имеют по 30 сажен (63 м 90 см), а высота до среднего креста — 22 сажен (46 м 86 см). Собор имеет пять куполов сферической формы, высокие фронтоны, украшенные живописью, четыре портика, опирающиеся в совокупности на 48 колонн. На фронтонах собора расположены большие фрески на библейские сюжеты: «Воскресение Христа» (восточный фронтон), «Явление Святой Троицы Аврааму» (южный), «Собор всех святых» (западный), «Покров Пресвятой Богородицы» (северный).

Отделочные работы и роспись длились 21 год. Собор был расписан учениками Арзамасскойшколы живописи Александра Васильевича Ступина Осипом Семеновичем Серебряковым и его сыном Александром. Величественные иконостасы резной работы выполнены братьями Василием и Климом Ломакиными. Все пять иконостасов обрамлены огромными деревянными колоннами с капителями, украшенными пилястрами с изящной резьбой. Алтарные врата главного престола украшены иконами Спасителя и Богоматери, которые изображены восседающими на царских тронах, в белых одеждах, с коронами на главах, работы профессора живописи Николая Алексеева (зятя А.В. Ступина), расписывавшего впоследствии Исаакиевский собор Санкт-Петербурга.