К основному объёму с трёх сторон примыкают полукруглые в плане крыльца с шатровыми верхами. Фасады рукавов креста завершены полуциркульными аттиками-«козырьками», которые имеют небольшой вынос вперёд и напоминают кокошники древнерусских храмов. Двухэтажное сооружение увенчано традиционным пятиглавием, световые барабаны расположены над угловыми ячейками объёма, а не над сводами рукавов креста по сторонам света, как чаще всего строились украинские храмы. Высокие барабаны подчёркивают стройность постройки, устремлённость вверх. Полуциркульные очертания, характерные для барочной архитектуры, доминируют не только в плане, во внешних контурах собора, но и в формах его декоративных элементов – круглых окон, лучковых фронтонов, волют как элементов наличников окон. Широко распространённый мотив столичной архитектуры первой половины XVIII в., который часто использовал Андрей Васильевич, – рустованные пилястры – применён в оформлении первого этажа, служившего композиционным «цоколем», массивным основанием стройного и пластичного здания. По словам историка архитектуры Григория Никоновича Логвина, «сооружение воспринимается как гигантское творение утончённого ювелирного искусства благодаря архитектурным деталям – пилястрам, карнизам, наличникам, рустовке, капителям и лепным орнаментальным украшениям». В интерьере четырёхстолпного собора выделяются богатое рокайльное лепное убранство и резной позолоченный барочный иконостас высотой 27 м, по преданию выполненный по проекту Б.Ф. Растрелли для одного из придворных столичных храмов (художник Г.А. Стеценко, частично сохранился). В нижнем ярусе располагается тёплая церковь – усыпальница во имя святых Адриана и Наталии – небесной покровительницы матери Кирилла и Алексея Разумовских, здесь погребённой; в верхнем – храм с престолами в честь Рождества Пресвятой Богородицы, апостолов Петра и Павла и праведных Захарии и Елисаветы. Собор был закрыт в 1934 г., после войны в здании размещалась заготконтора, с 1993 г. – действующий. План и внешнее убранство собора, по мнению исследователей, стали прототипом архитектуры церкви преподобных Антония и Феодосия Печерских в городе Василькове Киевской области (1756–1758 гг., ныне городской собор, строительство исследователи атрибутируют Степану Демьяновичу Ковниру). Четырёхстолпный, квадратный с массивными полуциркульными в плане ризалитами по сторонам, он завершён пятью куполами, поставленными по диагонали. В числе приписываемых Андрею Васильевичу (начиная с Фёдора Фёдоровича Горностаева), церковных построек – Трехсвятительская церковь в селе Лемеши Козелецкого уезда Черниговской области, сооружённая над могилой Григория Яковлевича Розума, отца Разумовских, в 1755 г. Церковь представляет в плане тетраконх, увенчанный массивным куполом и декорированный в формах тосканского ордера. В постройке этой церкви (как и собора в Козельце) мог принимать участие Иван Григорьевич Григорович-Барский. Существует документально не подтверждённое предположение о возможном проектировании Андреем Васильевичем церкви (собора) Успения Пресвятой Богородицы («Спас на Сенной») в Санкт-Петербурге (1753–1765 гг., разрушена в 1961 г., есть проект воссоздания). Пятиглавый храм с трёхъярусной колокольней над притвором был одним из выдающихся памятников барокко в Санкт-Петербурге.