Зодчий храма неизвестен (по мнению исследователей, подмастерье каменных дел Обросим (Амвросий) Максимов, чьё участие в строительстве до 1638 г. документально подтверждено). Архитектура храма соответствует архитектуре московских церквей 1630 гг., причём аналогичные здания были построены в Китай-городе, т.е. недалеко от Казанского собора. Собор отличается сдержанностью архитектурного решения. Крупный бесстолпный четверик (стороны снаружи 12,5 м (север-юг) и 13,5 м (запад-восток), внутри 9 и 9,2 м соответственно) с одной массивной апсидой был лишён подклета, перекрыт сомкнутым сводом (информация об этом содержится в записях Петра Дмитриевича Барановского) и увенчан «горкой кокошников» и световой главой. Одновременно с собором были построены северо-восточный придел, галереи и колокольня. Бесстолпные храмы получили распространение в XVI в., но перекрывались преимущественно крещатыми сводами, реже – коробовыми сводами с поперечной распалубкой. Сомкнутые своды для перекрытия бесстолпных церквей использовались крайне редко и только в очень маленьких помещениях (один из немногочисленных примеров – придел мученика Диомида трапезной церкви Спасо-Евфимиева монастыря в Суздале, конец XVI в.). В бесстолпных храмах XVII в., как правило, возводился сомкнутый свод. Казанский собор (если сведения П.Д. Барановского верны) – один из первых храмов, где использовали сомкнутый свод для перекрытия бесстолпного пространства главной церкви и, следовательно, являлся примером раннего применения этого типа, впоследствии широко распространённого в храмостроительстве на протяжении более чем 70 лет. Другой пример использования сомкнутого свода – церковь Святой Троицы в Никитниках (1630 гг.). Исследователи полагают, что сомкнутым сводом была также перекрыта церковь Всех святых на Кулишках (около 1637 г.; сохранившийся свод относится ко времени перестройки – конец XVII в.). Исследователи отмечают, что все три храма помимо данного конструктивного новшества объединяет композиция ансамбля: асимметрия второстепенных объёмов, расположение колокольни у северо-западного угла, использование арочных галерей, полукруглая апсида, глубоко вынесенная на восток. По мнению исследователей, характерно оформление венчающей части Казанского собора, кокошники которого были расставлены не один над другим, как это было принято в конце XVI в., а «вперебежку»: кокошник верхнего ряда помещён над местом стыковки кокошников нижнего ряда, а угловые кокошники второго ряда поставлены по диагонали, таким образом они освободили небольшое пространство над углами. В Казанском соборе оно занято небольшими декоративными башенками, в церкви Святой Троицы в Никитниках – декоративными угловыми главами; тем не менее, сходство приёма в обоих храмах для исследователей очевидно. Расположение кокошников «вперебежку» косвенно подтверждает использование сомкнутого свода, т.к. крещатый свод обычно предполагает применение другого типа завершения – с выделенным центром, оформляющим снаружи внутренние распалубки. Неширокая сводчатая арочная галерея (внутренний размер 2,8–3 м) окружала собор с трёх сторон. Её южная часть первоначально заканчивалась на уровне восточной лопатки собора, а северная вела к северо-восточному приделу равноапостольного Аверкия Иерапольского, решение о строительстве которого было, по мнению исследователей, принято в процессе возведения собора (в ходе строительных работ, когда основной объём вывели до высоты апсиды, кладку северо-восточного плеча галереи остановили и над ним выложили четверик придельного храма в два раза шире, чем плечо галереи).