К основному объёму примыкают с запада притвор и колокольня, встроенная в массив здания на его продольной оси. Такая схема, с одной стороны, напоминает структуру русских церквей XVII в., решённых «кораблём», с другой – ассоциируется с близкими к базиликам русскими храмами послепетровского времени. Основной массив здания венчают крупные купола – один из первых примеров пятиглавия в Санкт-Петербурге, передающий композицию московского первоисточника XV в. – Успенского собора. Барабаны боковых глав глухие. Пластика объёмов, «пучки» пилястр, лучковые фронтоны и сандрики, окна-люкарны – черты барокко. Классицистический характер выражен в спокойной монументальности, сдержанном рисунке фасадов (применение преимущественно дорического ордера, парные пилястры на поверхности центрального барабана), больших плоскостях стен. Столпообразная колокольня собора имеет два нижних квадратных в плане яруса и верхний цилиндрический, завершена, как и основной объём, полусферическим куполом. Внутреннее пространство прямоугольного в плане собора делится двумя рядами столбов на три нефа. Пилоны связаны полуциркульными арками, карнизы раскрепованы. Средний неф завершается полукруглой апсидой. В восточной части здания нефы пересекает трансепт. Средокрестие увенчано центральным световым барабаном. Таким образом, композиция храма имеет общие черты с Троицким собором Александро-Невской лавры. Своды продольных нефов крестовые, нефы освещены окнами второго света. Интерьер собора выкрашен в белый и голубой тона, только в парусах есть изображения евангелистов. К северо-западному пилону примыкает кафедра, украшенная живописью. С 1778 по 1862 гг. из восьми соборных настоятелей только священник Михаил Каменский, прослуживший здесь со дня рукоположения в 1796 г. до кончины 20 апреля 1824 г., обучался в Санкт-Петербургской духовной академии и имел сан протоиерея (с 1806 г.). Хозяйством храма при нём больше 20 лет заведовал действительный статский советник и кавалер Ф.Д. Иванов (ум. в 1822 г.), который именовался ктитором собора. В 1806 г. протоиерей Михаил Каменский открыл «духовное училище для обоего пола священно- и церковнослужительских детей». Поскольку ученики из духовного сословия в нём оказались в меньшинстве, 20 мая 1811 г. училище было преобразовано в частный институт с директором-протоиереем. В 1810 г. ктитор Ф.Д. Иванов, исполняя волю покойной жены – Ольги Дмитриевны, племянницы и наследницы митрополита Санкт-Петербургского Гавриила и архиепископа Тобольского Варлаама (Петрова), основал «в память сих знаменитых пастырей» пансион для бедных детей благородного происхождения. Число обучавшихся в нём доходило до 120 человек. Наводнение 7 ноября 1824 г. нанесло непоправимый ущерб зданиям училища, занятия на время прекратились. В 1825 г. из Комитета о пособии потерпевшим от наводнения собор получил 8 тыс. руб., а распределение 100 тыс. руб., выделенных на помощь жителям Петербургской стороны, доверили местным священникам и церковным старостам. В 1831 г. в здании училища была открыта временная больница на 25 кроватей, «устроенная для одержимых холерою иногородним купечеством, торгующим пенькою и льном». После первого большого ремонта, произведённого в соборе в 1823–1824 гг., он стал трёхпрестольным: