Высота собора до верха креста на главном куполе составила 64 м, длина – 53,25 м, ширина – 38,34 м, толщина стен – до 2 м. Композиция собора пирамидальная. Его план близок к прямоугольнику. Центральное ядро, квадратное в плане, окружено галереями с вынесенными на 7 м крыльцами с гранитными ступенями с севера и юга, нартексом и экзонартексом с крыльцами с запада и пятичастным алтарным объёмом с востока и увенчано пятиглавием. Боковые компартименты завершали шесть глав, крыльца и алтарь – четыре главы. Таким образом, собор имел 15 луковичных глав, покрытых листовым железом и позолоченных. Насыщенный пластичный декор отличался характерными элементами русского зодчества, преимущественно XVII в.: кокошники, колонки и полуколонки, кубышки, дентикулы, ширинки, многопрофильные карнизы. Нижний ярус декорирован, главным образом, рустом и ширинками, верхний, двусветный, – полуколонками с муфтами. Окна второго света оформлены аркатурно-колончатым поясом, фасад центрального объёма завершён поясом килевидных кокошников. Основания барабанов декорированы полуциркульными кокошниками. Шатровые крыльца представляют собой открытые опирающиеся на кубышки трёхчастные арки, каждая с двумя висячими гирьками. Центральный объём храма перекрыт крещатым сводом с небольшой стрелой подъёма при обширной площади, опирающимся на две диагонально перекрещенные арки-нервюры, боковые компартименты перекрыты сомкнутыми и цилиндрическими сводами. В 1980 гг. собор был расписан мастерами из Почаева в стилистике, близкой к росписям Покровской церкви. Встроенный в террасу нижний ярус с тёплой церковью перекрыт цилиндрическими сводами на подпружных арках. Ризалит в три оси двухэтажного старого хирургического корпуса (не сохранился) в северо-западной части усадьбы, где располагалась домовая церковь преподобного Агапита, был завершён луковичной главкой, оконные наличники декорированы трёхчастными кокошниками и наборными колонками. Терапевтический корпус (Бехтеревский пер., 15), скромный по декору, выделялся утраченными в советское время луковичными и шатровыми завершениями Скорбященской церкви и крылец, в основании всех шести завершений был использован мотив килевидных кокошников. Лечебница для приходящих больных (амбулатория; разобрана в 1960 гг.) имела шатровую башню с двухъярусным крыльцом в виде открытых сеней, арочные проёмы которых опирались на угловые столбы-кубышки в духе фантастических проектов Виктора Александровича Гартмана и Ивана Павловича Ропета. Двухэтажное здание аптеки отличалось мощным центральным ризалитом в три оси, каждый этаж был декорирован тремя арочными проёмами с висячими гирьками, пяты арок опирались на столбы-кубышки (полностью перестроено).