Длина постройки 28,8 м, ширина (по оси подкупольного квадрата) 18,79 м, а по западной стене 18,86 м. Размеры подкупольного квадрата по оси «восток-запад» – 6,78–6,82 м, по оси «север-юг» – 6,43–6,46 м. Собор построен в смешанной технике кладки (opus mixtum) из большеформатной плинфы (27-29х34-38х4-4,5 см) и бутового камня со скрытым рядом. В алтарной части храма находился синтрон из плинфы шириной 0,85 м с выступом для владычного места. Внешняя часть синтрона покрыта тщательно заглаженной цемяночной затиркой. В центре апсиды – прямоугольный алтарь (1,48х1,88 м), также из плинфы. Новые исследования показали, что апсиды собора не были гранёными, их фасады расчленены тонкими полуколонками диаметром 20 см. Центральная апсида имела четыре, а боковые – по три полуколонки. Между ними с высоты четвёртого ряда кладки шли уступчатые ниши. Фасады завершались равновысокими закомарами. В тимпанах боковых фасадов размещалось по три двухступенчатых ниши. Под окнами второго яруса проходил меандровый фриз из плинфы, ниже – пояс декоративных плоских ниш. Барабан купола имел 12 окон, над которыми находился пояс меандра, выше – декоративные ниши. На фасадах была применена структурная система членений (в соответствии с внутренней планировкой храма), в которой чувствуется рафинированность стиля. Вскоре после завершения основного объёма собора у его юго-западного угла была возведена небольшая церковь (придел Входа Господня в Иерусалим – в XVI–XVII вв.). Это был четырёхстолпный одноглавый храм (10,8х8,6 м) с тремя апсидами (радиус центральной апсиды – 1,6 м, боковых – по 0,6 м). Считалось, что его построила княгиня Ирина около 1470 г. Исследователи отмечают, что характер конструкции и малая мощность фундамента указывают на то, что храм был одноярусным – не выше линии хор собора. Тогда же с севера и запада были пристроены притворы, перекрытые сводами трёхлопастной формы; все они выполнены из тех же материалов и с такими же технологическими приёмами, что и основное ядро храма, но перекрывали его фасады, расписанные к тому времени. Планировочная структура храма следовала схеме Успенского собора Печерского монастыря. Отдельные элементы архитектуры восходят к более ранним постройкам. Например, пары небольших декоративных ниш в уровне сводов под хорами, устроенные над нижними окнами, повторяют формы западного фасада черниговского Спасского собора (около 1036 г.). Построение трёхчастных групп окон, или декоративных ниш, исследователи считают доказательством византийского происхождения архитектурного облика собора: эти мотивы тройного проёма были характерны для константинопольской архитектуры. Об упомянутом в летописи позолоченном верхе собора сообщали авторы XVI в. (например, Мартин Груневег писал, что главный купол «имеет яркую позолоту, но края крыши вокруг свинцовые»). По мнению исследователей, собор имел богатое внутреннее убранство, его интерьер выдержан в характерном для ХI в. торжественном и монументальном стиле. Центральная апсида была украшена мозаиками, остальная часть храма расписана фресками.