Собор находится в центральной части монастыря. Он связан кирпичной галереей с переходами с находящейся к югу церковью Введения с трапезной палатой. С расположенными к северу настоятельскими кельями собор был связан не сохранившимися деревянными переходами. Собор представляет собой высокий четырёхстолпный четверик, помещённый на подклетный этаж, используемый для хозяйственных целей. Перекрытия основного поме­щения подклета опираются на два мощных столба, а храма – на четыре. С южной, западной и северной сторон храм окружает крытая галерея, в восточных концах которой устроены придельные храмы: Входа Господня в Иерусалим в южном и Святителя Николая-чудотворца в северном. Основной храм имеет три алтарные апсиды. Четверик собора, покрытый на четыре ската, завершён пятиглавием на круглых световых барабанах. Симметрия храма была преднамеренно нарушена расположением колокольни у северо-западного угла галереи. Особенность собора – прямые восточные стены алтаря, заменившие традиционные полукружия.

Монументальный облик храма подчёркнут сдержанным декором. Гладь белёных стен разделяют плоские лопатки и простые карнизы, лишь местами дополненные рядом поребрика. Над венчающим карнизом возвышаются закомары с простыми архивольтами. Глубина оконных проёмов, лишённых обрамлений, подчёркнута откосами. Изящный восьмерик колокольни помещён на массивный четверик, почти лишённый декора. Даже такие обычно пышно украшенные кирпичным «узорочьем» элементы, как галереи крытых переходов и крыльца, декорированы лаконично рядом простых ширинок и подчёркивающими конструктивные формы валиками. На общем фоне насыщенным выглядит декор барабанов глав в виде аркатурного пояса.

В храме сохранился трёхярусный резной золочёный иконостас XVII–XVIII вв., элементы которого создавались в несколько этапов в двух стилях – барокко и классицизма. Интересно, что иконы праздничного и деисусного рядов были перенесены в собор в 1784 г. из старого иконостаса Успенского собора (1731–1735 гг.). Часть икон местного чина оказались утрачены. Древняя храмовая икона «Собор Архангела Михаила» рубежа XIII–XIV вв. ныне хранится в Государственном Русском музее.

Паперть собора соранила разновременные росписи, древнейшая из которых датируется рубежом XVII-XVIII вв. Уникальна стенопись "Притчи старческие".  Представляют интерес роспись с портретом похороненного в соборе архиепископа Великоустюжского и Тотемского (1700–1718 гг.) Иосифа и эпитафия монастырского архимандрита Варсонофия. Проём южного входа украшен орнаментальной росписью.

Первоначальные главы собора заменены на восьмигранные ярусные с перехватом и «юбкой», свойственные местным храмам эпохи барокко. Расширены оконные проёмы барабанов. Взамен слюдяных окончин в XIX в. проёмы были остеклены. Заложены некоторые проёмы: арочные южной галереи, нижние западные окна четверика собора, входы приделов. Росписи храма не раз поновлялись и, наконец, стены были оштукатурены и побелены. В 1927 г. разобраны деревянные крытые переходы, соединявшие собор с Настоятельскими кельями.

Западный портал собора некогда украшали массивные двери второй половины XVII в., обшитые медными пластинами-клеймами, обильно декорированными резьбой, серебрением и золочением (ныне находятся в Государственном Эрмитаже). Специалисты предполагают, что двери были исполнены гравёрами-серебрениками кремлёвской Оружейной палаты.

В 1970–1980-х гг. под руководством архитектора Эдуарда Эдуардовича Наседкина велась архитектурная реставрация собора. В её ходе на паперти выявлены сохранившиеся фрагменты росписей.

В 2013 году на средства партнёра проекта – оператора сотовой связи ТЕЛЕ2 – на крыльце собора была установлена информационная табличка c QR-кодом.