Собор расположен на высоком мысу, ограниченном с востока рекой Сож, с севера - глубоким оврагом. Своим главным фасадом он обращен в сторону города. Как и дворец Румянцевых-Паскевичей, он господствует над низменной поймой реки и виден на большом расстоянии. В плане собор имеет форму вытянутого креста с развитым трансептом и укороченным средним нефом. Над средокрестием возвышается купол на высоком, прорезанном окнами барабане. Четыре шестиколонных портика и полуколонны дорического ордера, украшающие стены собора, придают ему большую пластичность и вместе с тем суровую простоту. Здесь получил дальнейшее развитие прием сочетания классического портика и купольного объема. В четком членении объемов, в равновесии и соразмерности масс, в строгости и благородной простоте оформления фасадов сказались характерные черты русского классицизма начала XIX в.