Купол опирается на четыре мощных, свободно стоящих устоя, к подкупольному квадрату с востока, юга и севера примыкают апсиды, с запада – удлинённый прямоугольный рукав. По сторонам алтарной апсиды располагаются дополнительные двухэтажные помещения. Южный и северный апсиды образуют рукава, выступающие из общего объёма здания и имеющие снаружи прямоугольные очертания. На уровне второго этажа западного трёхнефного рукава устроена обширная трёхсторонняя галерея, где, по свидетельству Никифора Матвеевича Толочанова и дьяка Алексея Иевлева, молились женщины из царской семьи. В северо-западном углу храма Баграта находится трёхэтажная башня с жилыми помещениями. Фасады оформлены декоративной аркатурой. На капителях некоторых колонн, как в самом храме, так и в южном портике, высечены рельефные изображения животных. Интерьер собора был украшен мозаикой (утрачена). На стенах храма Баграта сохранилось свыше десятка древнегрузинских надписей на асомтаврули. Строительная надпись, вырезанная декоративными буквами (кидурцаисрули) на аркатуре поверх окон восточного фасада, упоминающая царя Баграта III и его мать, по содержанию и титулатуре царя датируется 1001–1003 гг. Камень, на котором были написаны имя зодчего и, как полагают исследователи, дата построения храма, утерян. На подоконном камне восточной части северного фасада высечены две надписи: прославляющая царя Баграта III, по мнению исследователей, была выполнена в связи с получением им византийского титула куропалата, что позволяет исследователям датировать её 1001 г.; надпись, сообщающая о завершении укладки пола (одна из последних работ при строительстве храма) с указанием точной даты (1003 г.), написанной арабскими цифрами вместо древнегрузинских букв с числовыми значениями, является самым ранним примером такого написания в истории восточнохристианской эпиграфики. К завершающему этапу строительства исследователи относят керамические рельефные надписи на антефиксах черепичного перекрытия крыши храма и его порталов, обнаруженные в 1985–1987 гг. во время археологических раскопок. В первой, относящейся к рубежу X–XI вв., упоминается царь Георгий I (1014–1027 гг.), в другой, расположенной на покрытом тёмно-синей глазурью антефиксе с отбитой нижней половиной, присутствует имя Кутаисского  епископа Антония (Сагиридзе), принимавшего, как полагают исследователи, активное участие в строительстве храма.