Изначально наружные стены собора были выбелены, детали расцвечены; нынешнюю красную окраску с белыми деталями собор получил не раньше 1825 г. Собор со всех сторон окружён галереей со входами с запада, севера и юга; в XIX в. её аркада была застеклена; декор близок к декору, характерному для допетровской традиции. В 1740 г. по проекту Василия Савича Обухова между южным крыльцом и юго-восточной галереей была встроена небольшая двухэтажная ризница в скромных барочных формах. Интерьер собора сообразно русской монастырской традиции четырёхстолпный. Столбы цилиндрические, относительно тонкие, сильно сдвинуты к углам храма; восточная пара скрыта иконостасом. В верхней части интерьера чётко прочитывается крестообразность. В целом мастерам Донского монастыря удалось воссоздать свойственное украинским бесстолпным образцам ясное, залитое светом пространство. Собор, как и остальные сооружения обители конца XVII – начала XVIII вв., строился на щедрые пожертвования. Среди вкладчиков – боярин Артамон Матвеев и основатель московской Оружейной палаты Богдан Матвеевич Хитрово. Пожертвование в 1690 гг. сделали и члены семьи казнённого Степана Разина (по записи в числе лиц, за которых следовало молиться, упомянуты Степан и Фрол Разины). Иконостас собора, как и его здание, был построен в несколько приёмов. Ещё в 1688 г. последовал царский указ о сооружении иконостаса мастерами Оружейной палаты. Лишь в 1695 г., в основном, на пожертвования, золотописец Посольского приказа Карп Золотарёв соорудил два нижних яруса – местный чин с царскими вратами и праздничный ряд. В 1695–1696 гг. «резного дела мастер» Абрам Андреев и столяр Григорий Алексеев воздвигли апостольский ярус. Только в 1699 г. иконостас был окончательно завершён Г. Алексеевым, Ильёй Фёдоровым, а также белорусским мастером из Почепа Евстафием Ивановым. К концу XVII в. были расписаны только столпы собора. Росписи же на внутренних стенах в 1782–1785 гг. выполнил по «заданной идее» архитектора Василия Баженова итальянский художник Антонио Клаудо. Образа же на темы сюжетов из Ветхого и Нового Заветов были помещены в живописные рамы и расположены в четырёх ярусах. В 1789 г. стены галерей были расписаны, но в 1867 г. росписи XVIII в. были сбиты, и паперти расписаны вновь. В 1935 г., когда там разместили экспозицию Музея архитектуры, росписи были забелены и частично уничтожены. С 1996 г. ведётся их реставрация. До 1922 г. многие иконы, находящиеся как в иконостасе, так и в приделах собора, имели серебряные ризы и украшения. Риза на Донской образ была выполнена после нашествия французов из монастырского серебра и в середине XIX в. украшена «строением» архимандрита Феофана, ризы на других местных образах были изготовлены на средства графа Матвея Ивановича Платова. Он доставил в Донской монастырь десять пудов серебра из сокровищ, похищенных неприятелем в 1812 г. и потом отбитых донскими казаками. Имя другого начальника Донского войска, генерального атамана Даниила Ефремовича, сохранилось в надписи устроенного им серебряного паникадила (1750 г.), находившегося перед царскими вратами, которое сохранилось до настоящего времени. В 1752 г. на вклады купца Кузьмы Замятина в соборе были постланы чугунные полы.