Алтарной экседре шириной 7,60 м предшествовала глубокая, почти квадратная в плане вима, по её сторонам располагались пастофории размерами 3,10х5,60 м. Они сообщались с апсидой дверными проёмами, а от боковых нефов отделялись тонкими глухими стенами – редкое явление для армянской архитектуры. В соборе было пять дверей: одна – по оси западного фасада и по две – в продольных стенах, по сторонам от экседр; они открывались в пастофории и западные угловые компартименты. Крестово-купольная трёхконховая композиция собора в Двине находит ближайшую параллель в соборе в Талине (670 гг.). Своими размерами (внутренние – 40,05х18,36 м) собор в Двине сопоставим лишь с храмом в Багаване (631–639 гг.; 26х47 м). Среди источников пространственной композиции храма исследователи отмечают продольно вытянутые крестово-купольные храмы Армении V – первой половины VII вв. (Текор, Багаван, Мрен (639 г.) и др.), собор Эчмиадзин в Вагаршапате (IV в., 480 гг., начало VII в.) с выступающими наружу гранёными экседрами, собор Рождества Христова в Вифлееме (который после реконструкции середины VI в. приобрёл структуру базилики с трифолием внешних стен). По мнению исследователей, в 648 г. в этом здании в Двине состоялся Собор (см. ст. Двинские Соборы), который отклонил халкидонский символ веры, и здесь же католикос Нерсес III по требованию прибывшего в Армению императора Константа II провёл литургию по греческому образцу (653 г.). Храм был разрушен землетрясением 893 г. Намерениям католикоса Ованнеса V Драсханакертци восстановить кафедральный собор помешал местный эмир Юсуф. В начале X в. католикос оставил Двин. При раскопках центрального квартала исследователи обнаружили фрагменты напольных мозаик и резных элементов, например, два фрагмента от дверной перемычки с рельефным изображением процветшего креста и исходящей от него виноградной лозы с образами сборщиков винограда (на одном фрагменте) и колосьев пшеницы (на другом). По мнению исследователей, они могут относиться к собору, а, возможно, к не обнаруженной раскопками, но известной по источникам церкви Сурб-Саргис (св. Сергия) или же к отдельно стоявшим мемориальным колоннам-монументам, увенчанным крестами (остатки подобных колонн обнаружены в Талине, Ошакане и др.). К северо-востоку от собора раскопаны остатки однонефной церкви (внешние размеры 24,5х10,7 м), имевшей пилястры вдоль продольных стен, придел с севера от апсиды и открытую галерею вдоль северной стены. В некоторых исследованиях эта постройка отождествляется с церковью св. Иезидбозида. В цитадели находятся остатки другой раннехристианской церкви типа трёхнефной базилики, считавшейся дворцовым залом Аршакидов. В центральном квартале Двина раскопаны два дворцовых комплекса: один, почти примыкавший к собору с северной стороны, середины VII в., другой, расположенный к юго-западу от собора, конца V в. Оба имели большие центральные залы с деревянным перекрытием на двух рядах колонн, близко поставленных у стен; в западной части более древнего дворца при Сасанидах был сооружён четырёхколонный зороастрийский храм с прямоугольным алтарём (1,5х1,5 м), разрушенный во время восстания 572 г. Патриарший дворец VII в. был построен из крупных блоков гладко отёсанного туфа; впоследствии был превращён в главную мечеть города.