Здание собора построено из большемерного кирпича с белокаменным цоколем и отдельными белокаменными деталями. Поставленный на песчаном грунте, собор имеет неглубокий фундамент и его прочность обеспечивается, в основном толщиной кладки (в 3,5 аршина, т.е. около 2,5 метров), а также толстыми связями из брускового железа.

Монументальное сооружение - трехнефное, покрыто по закомарам и увенчано пятью главами. Барабан центральной главы имеет в диаметре 8,5 метров, несколько меньше диаметр боковых глав - 7 метров.

Известно, что первоначально кровли и купола Покровского собора были покрыты чешуйчатым гонтом, выкрашенным медянкой (дощечками из сосны, напоминающими лемех, но большего размера).

При реставрационных работах, проводимых в начале 1960-х годов Московской областной специальной научно-реставрационной мастерской (автор проекта архитектор Н.И. Иванов) ветхое позднее покрытие из железа на главах было заменено деревянными чешуйчатым гонтом. В целях противопожарной безопасности гонт был обит железом и после выкрашен медянкой.

Световые окна барабанов глав обрамляет изящный аркатурный поясок из полуколонок, соединенных между собой плоскими арочками. Под окнами в два ряда располагаются килевидные кокошники.

С восточной стороны Покровский собор имеет три глубоко выступающих абсиды. В верхней части гладкий объем кирпичных стен оживлен поясками перебрика и ширинок, а вертикальные тяги из двух спаренных полуколонн придают полукруглым массам стен большую стройность.

Мотив вытянутых спаренных полуколонн встречается на всех стенах четверика. Вертикальные тяги группируются на углах храма, а также на границах нефов.

Аркатурный поясок барабанов, тяги из спаренных полуколонн, вертикальные обрамления двусветных окон фасадов эффектно выявляют строгий композиционный ритм грандиозного сооружения. Еще большую парадность в архитектурную композицию собора вновили примыкающие к южной, северной и западным сторонам три каменных крыльца, каждое об II ступенях. Крыльца имели теремчатые верха, которые опирались на столбы с белокаменной резьбою; арочные проемы дополнялись двойными арками с подвесными белокаменными гирьками.

При пристройке в 40-е годы XIX века к стенам собора корпусов военной богадельни северные и южные крыльца были разобраны.

Наряду с кирпичными и белокаменными резными деталями важную роль в цветовом решении памятника играет его керамическое убранство. Изразцы изготовленные в мастерской Степашки Иванова украшают барабаны собора и монеты позакомарных сводов на фасадах. Широкие керамические пояса с изображением стилизованных цветов, напоминающих павлиное перо (отсюда название рисунка "павлиное око") проходят над окнами барабана, заполняют четыре ряда люнета центрального нефа и составляют горизонтальный пояс на уровне пяты сводов по всем стенами храма.

В люнетах боковых сводов керамические узоры более мелкие. Наряду с хорошо знакомыми цветами гвоздики, ромашки, репейника, здесь встречаются стилизованные растения, лепестки которых образуют прихотливый оргаментальный узор.

Яркий голубой, желтый и зеленый колорит изразцов в сочетании с куполами, выкрашенными медянкой, с кирпичными стенами и белокаменной резью создают характерный для памятников XVII века цветовой эффект.

Внутри Покровский собор - 4-х столпный, его своды опираются на мощные квадратные в плане столбы, между которыми были деревянные хоры для певчих. У правого столба напротив алтаря помещалось царское место. Первоначально церковь имела полы из дубового кирпича, слюдяные окна с железными решетками и обитыми красным и зеленым сукном подоконниками. Сорок окон глав были также слюдяные, их "станки и вставки липовые, писаны красками".

Пятиярусный иконостас собора и роспись в интерьере создавали живописцы Оружейной палаты, Троице-Сергиева монастыря, костромичи и ярославцы.

К сожалению иконостас собора не сохранился, лишь небольшая часть его икон передана в музей древнерусской живописи имени Андрея Рублева.

В 2001 году благодаря усилиям Благотворительного фонда "Анастасиос" было воздвигнуто 15-метровое тело иконостаса и восстановлена часть икон. К концу 2002 года планируется завершить местный и праздничный ряды иконостаса. Над иконами местного ряда работают московские иконописцы, а над иконами праздничного ряда мастера из Палеха.