6 февраля 1997 г. Актом экспертной комиссии церковь была взята на государственный учёт как вновь выявленный памятник истории и культуры. Начались широкомасштабные работы по разборке цехов бывшего завода и высвобождению двухэтажного здания храма из массы заводских пристроек и надстроек (несколько лет ушло на то, чтобы убрать тонны обломков кирпича и мусора). Финансирование восстановления храма взяла на себя Томская областная администрация. Губернатор области В.М. Кресс объявил, что власть, санкционировавшая уничтожение десятков храмов обязана восстановить и вернуть в надлежащем виде верующим хотя бы те церкви, которые не были полностью уничтожены. К участию в реставрационных работах были приглашены государственные и частные предприятия города и области. Из-за нерегулярного финансирования работа продвигалась с переменной интенсивностью, иногда почти замирая, но никогда не останавливаясь полностью. Согласно проекту, рядом с Богоявленским собором сооружались учебные и жилые корпуса Томской духовной семинарии и церковно-административные помещения. 8 января 2000 г. Томским  епископом Ростиславом (Девятовым) был освящён первый восстановленный придел архангела Михаила и совершено первое богослужение. В последнюю неделю июня 2001 г. на колокольню собора были подняты и установлены 11 колоколов. Иконы для иконостасов второго этажа храма по заказу преосвященного Ростислава были изготовлены в иконописной мастерской Московской духовной академии, причём в качестве образца для них были выбраны иконы кисти Андрея Рублева из иконостаса Троицкого собора Свято-Троицкой Сергиевой Лавры. После окончания всех реставрационных работ, в январе 2003 г. состоялось освящение собора: 18 января – Ильинского придела на первом этаже, 26 января – Богоявленского и Пантелеимоновского приделов на втором этаже. В 2006 г. при соборе была открыта воскресная школа. Двухэтажное кирпичное оштукатуренное здание, построенное в стиле сибирского барокко, имеет традиционную трёхчастную схему (храм с апсидой – трапезная – колокольня). Апсида обладает простым абрисом плана, представляет собой полуциркульную форму, пристроенную к прямоугольному в плане храму. В объемно-пространственной структуре собора выделяются два вертикальных композиционных акцента – храм и колокольня, объединённые расположенным между ними более низким объёмом трапезной. Высокий четверик храма завершается восьмигранным барабаном с главкой, поставленной на восьмигранный световой фонарь. Апсида значительно ниже четверика. Восьмигранный барабан с главой, венчающий апсиду, служит в композиционном отношении как бы переходным элементом от её низкого объёма к более высокому четверику. Двухъярусная колокольня увенчана шатром, имеющим форму восьмигранной призмы. Переходным элементом от верхнего яруса к шпилю служит низкий восьмигранный постамент. Южный и северный фасады церкви имеют цельную композицию. Архитектурное убранство фасадов создают часто расположенные стройные вертикальные оконные проёмы и нарядные завершения в форме лучковых кокошников, опирающихся на выступающие из стены фасада тонкие ажурные пилястры. По вертикали фасады членятся пилястрами на четыре равнозначных прясла, в каждом из которых помещено по три оси оконных проёмов. Цельность и стройность северного и южного фасадов достигнута слабовыраженным горизонтальным междуэтажным поясом и удивительной гармонией всех членений и элементов. Внутреннее пространство церкви, апсиды, трапезной, и притвора разделено на два этажа. Апсида в обоих ярусах перекрыта конхой. Нижний ярус четверика перекрыт сомкнутым сводом. Восьмилотковый свод на тромпах верхнего яруса открывается в световой центральный барабан, из окон которого льётся мягкий свет. Пространство трапезной в обоих этажах соединяется с помещением храма с помощью одного большого проёма и перекрыто цилиндрическим сводом. Трапезная соединяется с двумя нижними ярусами колокольни, завершёнными коробовыми сводами. Его верхний ярус представляет собой единое помещение с двумя уровнями пола, имеет плоское перекрытие. С более низкого уровня к более высокому, соответствующему уровню всего второго этажа церкви, ведёт широкая одномаршевая мраморная лестница. В помещении паперти находятся две лестницы, идущие со стороны южного и западного фасадов с уровня земли на нижний уровень второго яруса притвора. В помещении паперти расположена крестильная с большой купелью, с возможностью полного погружения в ней при крещении взрослого человека. От убранства интерьеров осталась штуковая отделка сводов, которые украшены лепными розетками, а вдоль усов сводов проходят профилированные штукатурные тяги. Собор гордится своими святынями: частицей мощей великомученика Пантелеимона Целителя в серебряном ковчежце (привезена в 2001 г. Томским  епископом Ростиславом из Московской патриархии); частицами мощей апостолов Андрея Первозванного и Филиппа, Иоанна Воина и Трифона, Григория Богослова, Иннокентия Иркутского, Митрофана Воронежского, Петра, Ионы, Филиппа, Иннокентия и Тихона Московских, Варсонофия Тверского, Сергия Радонежского и Иова Пояаевского, Варвары и Анастасии Узорешительницы, Александра Невского и Димитрия Углицкого; Распятием (к которому прикреплена звездица, хранящая частичку того Креста, на котором был распят Иисус Христос); архиерейским посохом святителя Феодосия Черниговского (был принесён в Томск первым Томским архиереем Агапитом (Вознесенским), (более 70-ти лет он хранился в запасниках Томского краеведческого музея, а 26 мая 2002 г. возвращён церкви); иконами мученика Иоанна Воина, Василия Блаженного, Афанасия, Серафима Саровского с частицами их мощей; почитаемым списком образа Божьей Матери «Неуписаемая Чаша» (привезён из Серпуховской Высоцкой обители); точной копией иконы письма преподобного Андрея Рублёва – образ Живоначальной Троицы (написана для собора и привезена 14 июня 2003 г.).