Основной объём, представляющий собой в плане греческий крест, увенчан массивной купольной ротондой с главой, окружённой 14 башенками и малыми главками. Западный фасад решён в необычных для церковного зодчества формах: в виде огромной арочной лоджии, фланкированной массивными скруглёнными ризалитами лестничных объёмов. Кирпичный, белокаменный и штукатурный декор представлен разнообразными аркатурно-колончатыми поясами, килевидными, стрельчатыми и многолопастными кокошниками, поясами дентикулов. По мнению исследователей, ближе всего к типу собора в Вышнем Волочке Успенская соборная церковь в Рдейской пустыни Старорусского уезда Новгородской губернии (ныне Холмского района Новгородской области; 1897–1902 гг.). Оба храма строились по заказу купцов-благотворителей. Собор, рассчитанный на 750 человек, сооружался по инициативе и на капитал московского потомственного почётного гражданина Александра Николаевича Мамонтова, был завершён его сыном – А.А. Мамонтовым. Трёхпрестольный храм с приделами (восточным (правым) – преподобных Зосимы и Савватия Соловецких, западным (левым) – преподобного Александра, игумена обители Неусыпающих), как и собор Николо-Угрешского монастыря, воспроизводит обобщенный тип русского собора конца XV – XVII вв. Стоимость строительства составила 350 тыс. руб.; исполнителем работ, осуществлённых после кончины автора проекта, был ближайший помощник А.С. Каминского в поздний период творчества, классный художник архитектуры архитектор Иван Тимофеевич Барютин (1868–1928 гг.). Мраморный иконостас был выполнен под руководством московского мастера Захарова, иконы написаны в Москве художниками Ведяниным и В.Ф. (?) Кореневым. Квадратное в плане здание с боковыми ризалитами увенчано массивным пятиглавием. Завершение, характерное для храмов А.С. Каминского, близко к византийским (афонским) прототипам: над куполами полусферической формы возвышаются маленькие луковичные главки на фигурных шейках. Восьмигранные барабаны с полуциркульными окнами также завершаются сложно профилированными килевидными кокошниками. Тройные полуциркульные окна (с повышенным средним) на ризалитах разделены простенками, каждое прясло завершено килевидным кокошником. Здание опоясано горизонтальным рустом, богатый фриз включает сухарики, уступчатые тяги, прямоугольные филёнки. Мотивы отделки фасада вышневолоцкого Казанского монастырского собора присутствовали в оформлении самой большой в Москве часовни – великомученика Пантелеимона Русского Пантелеимонова монастыря на Афоне, которую построили на участке, пожертвованном братом настоятеля монастыря московским почётным гражданином И.И. Сушкиным (Никольская улица, 25; 1881–1883 гг., не сохранилась).