Собор посажен на главной площади Черкасска — на майдане (предыдущие деревянные варианты собора возводились намного ближе к Дону). В объемно-пространственном решении майдана была осознан­но применена асимметричность планировки как одно из средств художественной выразительности — традиционный подход к решению главной площади, характерный для русского кремля XVI-XVII веков. Культовые сооружения — собор и колокольня — были расположены под углом к оси проема выездной башни Богоявленских ворот, что наилучшим образом выявляло объемность зданий и пластику фасадов. На майдане пред колокольней выставлены элементы крепостных ворот и пушек Азовской крепости — память о знаменитом «азовском сидении» донских казаков.

Архитектура храма — византийско-русского стиля. Весь собор сложен из кирпича, на каменных погребах, и покрыт железом. Цемента в ту пору еще не изобрели, поэтому в качестве раствора использовали известь, с добавленными для прочности яйцами.

В плане храм представляет собой девятилепестковое здание на мощном подвале-подклете. Пять башен, составленный в виде креста — три по главной оси запад-восток и четырех малых башен, поставленных диагонально к центральному объему, его опоясывает двухъярусное крытое гульбище-галерея, представляет собой сложную вариацию русского деревянного зодчества, получившую распространение на юге России и Украины.

Простое оформление в виде полуколонн украшает и облегчает суровую мощь стен собора. Купола храма — луковичные. Они характерны для русской культовой архитектуры XVII века. Собор венчают девять покрытых сусальным золотом крестов различной формы и высоты (до 2м 80см).

Судя по многим художественным деталям, храм возводили московские мастера, нередко использовавшие приемы так называемого «украинского барокко». К сожалению, фамилия главного архитектора до сих пор не установлена, но по предположению некоторых специалистов им мог быть Иосиф Дмитриевич Старов.

Собор покоится на мощном цоколе из белого камня, в его нижнем этаже находятся огромные сводчатые погреба, где хранилось вино, разные товары и войсковой архив. Позже храм был опоясан внешней галереей («гульбищем»), которая хорошо связала его с архитектурой куреней. Декорировка собора на редкость проста и выразительна. Все углы восьмигранных башен украшены полуколонками, которые придают им мягкость очертаний. Такими же скромными полуколонками и пилястрами украшены наличники окон. Карнизные поребрики на ровной глади стен вносят в оформление собора праздничную ноту.

Перед западным входом в собор (имеются ещё южные и северные двери) накрепко вмурованная в толщину собора железная цепь, которой был прикован Степан Разин.