Храм имеет много общего с другими постройками Ионы Сысоевича. Основной объём собора представляет собой параллелепипед, несколько вытянутый с востока на запад и поставленный на высочайший подклет. Из-за подклета к входу в собор ведёт высочайшее крыльцо. Храм четырёхстолпный. На кубе установлены 5 глав. Вначале главы были выполнены из дерева, но потом перестроены в камне. Центральный барабан значительно массивнее угловых.
С севера и юга к основному зданию пристроены два схожих придела, соединённые обходящей весь основной объём папертью. С востока к кубическому объёму примыкает алтарная пристройка необыкновенной прямоугольной формы, много меньше его высотой, а с северо-запада — шатровая колокольня «восьмерик на четверике». Собор содержит достаточно не достаточно декоративных частей, посреди которых колончатые пояса барабанов всех главок, также арочные галереи паперти.
Снутри собора находится трёхъярусный резной иконостас XVII—XVIII веков. Торжественный и деисусный чин происходят из Успенского собора, местный чин практически стопроцентно утрачен. В соборе до революции хранилась древная устюжская икона, «Собор Архангела Миши» ростовского письма XIII века; в текущее время она выставлена в Российском музее.
