Architektura Sobór został zbudowany z jasnożółtego wapienia. Reprezentuje styl klasycystyczny. Główne wejście do budynku, od strony zachodniej, prowadzi przez czterokolumnowy portyk z kolumnami w porządku toskańskim. Na nim znajduje się napis „Katarzyna II poświęca Zbawicielowi ludzkości”, stąd sobór był też potocznie nazywany Spaskim (cerk. Spasitiel' – Zbawiciel). Cerkiew wieńczy jedna kopuła. Proporcje świątyni mają potęgować wrażenie monumentalizmu i wielkości budowli, chociaż w rzeczywistości nie jest ona szczególnie obszerna. Na fasadzie budynku, w niszach, znajdują się figury świętych Piotra i Pawła. Ich obecność niesie przekaz symboliczny – w zamyśle księcia Potiomkina ukazany z mieczem w dłoni Paweł przypomina o tym, że klucze do raju (trzymane przez Piotra) zdobywa się tylko poprzez walkę; rajem ziemskim miały być zaś zdobyte prowincje południa Rosji. Obecność Piotra i Pawła przypomina również, że Chersoń miał być Petersburgiem południa.
Na zachód od soboru znajduje się klasycystyczna dzwonnica.
W świątyni przechowywana jest ikona Matki Bożej „Nie rozpaczaj po mnie, Matko”, którą w 2017 Święty Synod Ukraińskiego Kościoła Prawosławnego oficjalnie ogłosił cudotwórczą.