Четверик был перекрыт глухим сомкнутым сводом с четырёхскатной кровлей. По мнению исследователей, уникальным не только для архитектуры Казани, но и вообще для русской архитектуры было завершение четверика тремя главами по оси, на небольших глухих барабанах. С северной стороны к храму примыкал придел во имя великомученика Феодора Стратилата. С запада собор имел небольшую трапезную. По оси придела, слева от трапезной, возвышалась двухъярусная восьмериковая колокольня с типичным для Казани нарышкинским декором, возведённая, как полагают исследователи, несколько позже собора. На фасаде собора, в центре, под карнизными тягами, находился образ Пресвятой Богородицы, заключённый в круглый медальон – символический «круг славы». Позже на том же фасаде были расписаны три ниши с циркульными завершениями, симметрично расположенные между окнами нижнего уровня. Настенные росписи были и в прямоугольной нише фальшокна, на центральной апсиде. Также были расписаны плоскости стены под незамкнутыми бровками наличников окон на уровне первого этажа на протяжении трапезной, храма и апсид. Наличники северного фасада не имели росписей. По мнению исследователей, живопись была масляной, а не фресковой. В соборе имелся трёхъярусный резной позолоченный иконостас, в Феодоровском приделе – одноярусный позолоченный резной с полукруглым завершением с семью медальонами. В центральном медальоне находилось изображение Пресвятой Троицы, по бокам – 12 пророков (по два в каждом медальоне), а на царских вратах вверху, в специальном медальоне, – образ Успения Пресвятой Богородицы. Слева от царских врат Феодоровского придела находился местночтимый список (40х53 см) костромской Феодоровской иконы Божьей Матери (в серебряном позолоченном окладе), подаренный в 1820 гг. дворянкой О.А. Лукиной. Среди других чтимых святынь монастыря – икона великомученика Феодора Стратилата, пожертвованная князем И.И. Голицыным в 1607 г., и икона Нерукотворного образа Спасителя, завещанная настоятелю митрополитом Казанским и Свияжским Тихоном (Воиновым; ум. в 1724 г.) перед кончиной. При пожаре 1829 г. в Казанском монастыре обгорела с обратной стороны чтимая Смоленская икона Божьей Матери, но лик не пострадал. В ризнице хранилось Евангелие конца XVII – начала XIX в. В Казанском монастыре был создан рукописный сборник «Измарагд и Хронограф с дополнительными статьями» (музей Андрея Рублёва); исследователи полагают, что над ним трудился писец Гавриил. Книга открывается «Словом пребольшим о Пресвятой Троице» и писцовой записью на полях о завершении работы над рукописью в Неделю Святой Троицы 1642 г. В сборнике имеются полистные записи XVII в., в том числе о вкладе книги в обитель Иваном Ивановичем Волынским по дяде Семёне Васильевиче Волынском и его родителях. К 1810 гг. в Казанском монастыре имелись была деревянная церковь во имя св. пророка Илии, братский корпус, деревянная ограда. К началу XX в. в монастырский комплекс входили Троицкий собор, ограда (лишь частично каменная) со св. вратами, каменные одноэтажный корпус епархиального свечного завода, одноэтажный келейный корпус (XVIII в.), а также несколько погребов и других служб. На берегу реки Казанки был построен двухэтажный деревянный на каменном фундаменте корпус (1901 г.), на первом этаже которого размещалось 12 келий, а на втором – покои настоятельницы и рукодельная мастерская.