Внутри храм имеет форму ротонды с узкой апсидой и перекрытым крестовым сводом притвором, соединяющим храм с западным прямоугольным в плане компартиментом. В западных ротондальных угловых камерах находятся лестницы, северо-восточная камера служит жертвенником, а юго-восточная связывает храм с восточным прямоугольным пространством. Храм был расписан к 1890 гг. На колокольне были часы с боем, в ярусе звона – девять колоколов. Настоятельский корпус, находящийся к югу от собора, включает объём конца XVIII в. и пристройку, возведённую для братии после 1861 г. Два корпуса братских келий у западной стены монастыря были построены в 1840 гг. К концу XIX в. в монастыре Екатерины были также каменные флигеля, хлебопекарня с двумя кельями, просфорная, баня, колодец, деревянные кладовая, хлебный амбар, сарай для экипажей. Все служебные помещения были значительно перестроены после 1917 г. Вне монастыря находились каменная часовня у св. врат, две гостиницы (двухэтажная каменная и одноэтажная деревянная), овощная лавка. В 1975–1981 гг. в монастыре Екатерины проводились реставрационные работы под руководством Станислава Петровича Орловского и были восстановлены главы на церкви и колокольне, окна и тёсовые кровли башен. До учреждения пустыни при Екатерининском храме в 1660–1670 гг. в пяти деревянных кельях проживали «чёрный поп», стрельцы и 25 нищих. В 1666 г. иеромонах Давид получил государева жалованья с «Оптекарского двора» пуд мёда, два фунта «деревянного» масла, полведра конопляного масла, а из Кормового дворца полпуда икры. В 1669 г. при церкви были священник с жалованьем 10 руб. и просвирница – 2 руб. На 1673/1674 г. причту «Екатерининской рощи церкви соборной великомученицы Екатерины» полагалась денежная руга: чёрному священнику Тарасию – 15 руб., дьячку – 5 руб., пономарю – 3 руб. с полтиной, просвирнице – 2 руб., двум церковным сторожам – по 2 руб., трём трудникам – по рублю; всего 32 руб. с полтиной. В 1675 г. в храме служили священник и иеромонах с ружным жалованьем по 15 руб., дьячок – 5 руб., пономарь – 3 руб. с полтиной, просвирница и два сторожа – по 2 руб., 25 трудников – по рублю; всего 69 руб. с полтиной. Согласно ружной книге 1698/1699 г., в пустынь полагалась годовая руга, поступавшая из приказа Большого дворца: строителю – 17 руб., иеромонаху – 15 руб., священнику – 9 руб., дьякону – 10 руб., дьячку – 5 руб., просвирнице – 2 руб., пономарю – 3 руб. 16 алтын 4 деньги, 30 старцам и бельцам – по одному руб. 30 алтын 2 деньги, двум сторожам, двум поварам, хлебнику – по 2 руб., портомойнику – один руб.; всего 115 руб. Им же полагалась выдача 98 четвертей ржи, 96 четвертей овса и т.д. Жалованье могли подолгу задерживать, или оно не поступало в монастырь. Так, в 1714–1716 гг. 30 насельников не получили из приказа ни хлебной, ни денежной помощи. «От великой нужды» останавливалась даже церковная служба, а голодающие монахи побирались по близлежащим сёлам. В марте 1717 г. строитель иеромонах Гавриил писал царю Петру I: «Ныне мы, богомольцы твои, весьма оскудели и платьем обносились... И дров, и хлеба, и свеч купить не на что, а без одежды и без дров от морозов погибаем смертию». Сохранились документы XVII – начала XVIII вв. о царских пожалованиях в храм богослужебной утвари, книг, ладана и т.д.