Наружный декор отличается строгостью: аркатурный пояс на барабане и на уровне основания полукружий закомар, капители простой трапециевидной формы у полуколонн на пилястрах. Интерьер храма – зального типа и восходит к распространённому образцу Успенского собора Киево-Печерского монастыря (1073–1077 гг.). Центральный неф шире боковых почти вдвое, поэтому облик интерьера полностью определяется открытым пространством подкупольного квадрата, которое ярко освещено окнами барабана и двумя рядами окон центральных прясел боковых фасадов. Объём подкупольного креста выделен не только большими параметрами его ветвей, но и композиционно, что подчёркнуто крещатой формой столбов и соответствующих им лопаток. Боковые апсиды существенно занижены относительно центральной, а западная часть собора в обоих этажах заметно обособлена от его основного объёма и открывается только в центральном проёме, причём хоры отделены двухпролётной аркадой. Спокойствие и простота архитектурных форм, нерасчленённость и слитность основного пространства и соподчинённость боковых объёмов создают внушительный и уравновешенный внутренний облик храма. Нартекс почти полностью изолирован от основного объёма, соединяясь с ним лишь центральной аркой. В его угловой южной части, перекрытой крестовым сводом, в восточной стене одновременно с постройкой храма была устроена ниша-апсида. Она являлась алтарём придела, имевшего, как полагают исследователи, погребальное предназначение и служившего родовой усыпальницей неизвестного строителя храма, о чём говорят остатки аркосольной ниши в его южной части (придел обычно ошибочно фигурирует в литературе как «крещальня»). В аркосолии ещё в XVII в. стоял каменный саркофаг, а в апсиде археологи обнаружили остатки мраморной «купели», вероятнее всего, по их мнению, являвшейся водосвятной чашей. Изначально юго-западный угол был отделён от основного объёма нартекса миниатюрной тройной аркадой. Алтарная ниша придела выступает из стены небольшой апсидой в юго-западном углу основного объёма собора. Апсида оформлена экстерьерной декорацией в виде покрытия конхи и аркатурного пояса с поребриком, которые сохранили остатки декоративной росписи. Аналогичные придельные конструкции в юго-западной части постройки имеют некоторые памятники второй четверти – середины XII в.: Софийский собор (встройка второй четверти XII в.) и Кирилловская церковь в Киеве, Борисоглебский собор в Старой Рязани (1151 г.). В юго-западной части хоров собора устроена ещё одна капелла-молельня. Она имеет нишу-апсиду и перекрыта купольным сводом, который Николай Вячеславович Холостенко принял за остатки барабана, на основании чего ошибочно реконструировал две малые главы над пространством хоров. Подобные капеллы-молельни известны по ряду княжеских храмов XII в.: Петропавловского собора Смоленска (1150 гг.), церковь Преображения Евфросиниева монастыря в Полоцке (1150 гг.), Благовещенской церкви в Витебске (середина XII в.), церковь Спаса на Нередице (1198 г.) и др. Интерьер храма помимо росписей имел богатую декорацию. Полы основного объёма храма были покрыты поливными керамическими плитками, в боковых нефах они были кирпичными, а в притворах имели покрытие из шиферных плит. Археологами обнаружены большое количество обломков разноцветных стёкол со следами росписей и фрагменты медных креплений, которые, по их мнению, являются остатками древних витражей.