Средняя дверь на западной стене лити́ украшена бронзовыми вратами (XIV в.) с черневыми орнаментами, изображение композиции «Благовещение Пресвятой Богородицы» на них, видимо, было сделано позднее. Два входа по бокам связывают лити́ с храмами. На северной стороне – храм во имя великомученика Димитрия, крестово-купольный в плане; его особенностью является непосредственная связь апсиды с наосом (их отделяет только алтарная преграда, когда-то бывшая каменной); на южной стороне находится храм во имя святителя Николая Мирликийского – купольный триконх с очень глубокой алтарной апсидой. В конце XVII в. с западной стороны собора был сооружён пространный внешний притвор (экзонартекс) – двухэтажный портик, западная стена которого имеет форму двух колоннад, южная часть превращена в невысокую башню с часами, перед ней построена новая крестильня. Весь собор, по афонскому обычаю, выкрашен снаружи тёмно-красным, почти пурпурным цветом. Современный вид архитектурного комплекса кафоликона (с оштукатуренными проходами, нишами-углублениями и богатыми рамами дверей и окон) – результат работ, предпринятых в 1842 г. на средства архимандрита Филарета, о чём известно из надписи на мраморной плите на западной стене внешнего притвора кафоликона. На южной стене диаконника в 1894 г. архимандритом Хрисанфом из Имброса была сооружена галерея ризницы кафоликона на месте захоронений патриархов, которые были здесь в XVIII в. В северном конце внешнего притвора кафоликона находится лестница конца XIX в., ведущая с третьего на четвёртый уровень корпуса. В 1909 г. между северным нефом кафоликона и храмом великомученика Димитрия было построено здание котельной, которая обогревает большую часть церкви благодаря системе подачи тёплого воздуха. Первоначальная настенная роспись в кафоликоне не сохранилась, самую древнюю её часть составляют мозаики. На западных гранях предалтарных столпов помещена композиция «Благовещение Пресвятой Богородицы» (середины XI в.): на золотом фоне изображены архангел Гавриил (северный столп) и стоящая Богородица (южный столп), в верхней части – слова архангела: «Радуйся, Благодатная, Господь с Тобою». В люнете над входом из внешнего во внутренний притвор находится мозаичный Деисус – Христос на престоле с предстоящими Богоматерью и Иоанном Предтечей, по верху люнеты идёт стихотворная надпись, в которой упомянут некий Иоанникий. По письменным источникам конца XI в. исследователям известен ватопедский игумен Иоанникий, возможно, именно в период его игуменства были созданы эти мозаики, которые по своей стилистике не противоречат этой датировке (конец XI – начало XII в.). Тем же временем датируется мозаика с образом святителя Николая над главным входом в параклис, освящённый в его честь: святитель показан по пояс, руки разведены в стороны, правой он благословляет, в левой покровенной держит на омофоре закрытое Евангелие. Мозаичная композиция храмового праздника Благовещения Пресвятой Богородицы ещё раз повторена ниже Деисуса, около входа, ведущего в настоящее время во внутренний притвор; своими классическими формами она напоминает раннепалеологовскую живопись и датируется 1320 гг. Эти композиции – единственные сохранившиеся мозаичные произведения на Афоне. Кроме мозаик в соборе существовали фрески, выполненные до 1312 г., когда храм был расписан заново. От росписи 1312 г. (раскрытой в процессе реставрационных работ начала 1990 гг.) в алтаре сохранились изображения фессалоникийских архиереев: Василия (IX в.), Георгия (начало XI в.), Евстафия (вторая половина XII в.) и Василия Глики (XIII в.). В наосе расположены по сводам и на стенах, непосредственно под сводами, 12 праздников. Страстной цикл представлен несколькими сценами: «Оплакивание Христа» в северной конхе, «Тайная вечеря» и «Умовение ног» – в нижнем ярусе, южнее, напротив, также в нижнем ярусе, – «Поучение апостолов». В конхах изображён краткий Богородичный цикл: композиции «Моление Иоакима и Анны», «Рождество Богородицы», «Ласкание Марии», «Богородица, благословляемая иереями» и «Введение Богородицы во храм», а также ветхозаветный прообраз Богоматери – «Три отрока в пещи огненной».