Снаружи прямоугольный в плане и ровный по высоте основной объём храма оживлён рядом крупных, украшенных бровками арочных окон, открывающихся в интерьер непосредственно под сводами. Собор венчает конструкция из широкого цилиндра, украшенного прорезанной окнами 24-частной аркатурой, и возвышающейся над ним маленькой главки. До недавнего времени архитектура собора серьёзно не изучалась, в нём не проводились крупномасштабные археологические исследования. Луи Юг Венсан и Феликс Мари Абель видели в нём совмещение армянского и романского стилей. Б. Кюнель описала здание собора как пример средневизантийской архитектуры. Т.Ш.Р. Боуз указал на возможное участие в строительстве собора иерусалимской королевы Мелисенды (армянки по матери Морфии Мелитинской), учитывая её интерес к церковным делам. Я. Фолда писал, что «церковь построена в армянском, то есть восточном, стиле», и что Мелисенда, будучи покровительницей церковного строительства в Иерусалиме в 1131–1161 гг., могла способствовать привлечению каменщиков, работавших в храме Гроба Господня. Идея об участии Мелисенды в строительстве собора монастыря святых Иаковов развивается К. Мутафяном. Он согласен с мнением о типично армянской архитектуре здания и обращает внимание на торжeственность приёма, оказанного в 1142 г. в Иерусалиме армянскому католикосу Григору III Пахлавуни. Нурит Кенаан-Кедар считает, что королева выступала ктитором как католических, так и армянских храмов; собор был построен армянскими мастерами на её средства. Композиция храма, по мнению учёного, отражает византийские и армянские традиции XI–XII вв., а притвор подобен византийским нартексам. Необычная форма купола напоминает о существовании подобных форм в мечети в Кордове (962–966 гг.), повлиявшей на романскую архитектуру Испании и Франции. По мнению исследовательницы, такой купол, как и некоторые декоративные элементы собора, например, «подушечный» фриз, восходит к архитектуре Великой Армении VI в.; его появление в армянской архитектуре XIII в. она называет возрождением местной традиции. При этом нерешённым остаётся вопрос о том, когда появился купол. Некоторые исследователи относят его к перестройке в XIII в., но существует мнение, что первоначально он был значительно выше (это могло не нравиться египетским султанам) и был снесён во время христианского погрома (1242 г.), после чего заменён низким современным куполом. Если же купол сооружён в XII в. при поддержке Мелисенды, то он, по мнению исследователей, послужил моделью для армянской архитектуры начала XIII в. В XVIII в. с запада к основному объёму храма был добавлен портик. Внутреннее убранство собора и его многочисленных приделов исследователи относят, главным образом, ко второй половине XVII – первой половине XVIII вв. Алтарное пространство выдвинуто до купольного квадрата и огорожено ажурной решёткой, исполненной армянскими кузнецами (1796 г.), в центре водружена икона Божьей Матери с Младенцем. Основной, трёхкупольный алтарь, резной, деревянный, покрытый сусальным золотом, был создан в 1723 г. под руководством патриарха Григора Шхтаякира.