1753—1762 гг. Продолжительное время автором проекта считали В. В. Растрелли. По современным данным построен при участии русского архит. Д. В. Ухтомского. Руководил работами архит. С. Дудинский. В стиле барокко, кирпичный, оштукатуренный, в плане трехчастный, складывается из центрального восьмерика с четырьмя опорными пилонами, образующими подкупольный квадрат, прямоугольник алтарной части и притвора с квадратными камерами по сторонам. Центральная часть перекрыта куполом на восьмерике и системой сомкнутых сводов, алтарная — срезанным шатровым сводом, завершенным четвериком. Притвор разделен хорами на два яруса, нижний перекрыт полуциркульным сводом с распалубками, верхний — аналогично алтарной части. Центральный купол завершен шлемовидной главой с декоративным фонариком, увенчанным очень вытянутой луковичной главкой с перевязью, боковые купола — только главками. Сооружение двухсветное. Фасады раскрепованы карнизом, протянутым по периметру, разделены на два яруса, расчленены рустованными лопатками, окна обрамлены наличниками с треугольными и лучковыми сандриками.

В главный западный фасад врезана глубокая арочная ниша, разделенная балконом на два яруса. В нижнем, фланкированном спаренными колоннами, тосканского ордера находится главный вход в храм, в верхнем — дверь на хоры. Балкон огражден металлической решеткой. Интерьер украшен пилястрами с капителями ионического ордера, лепкой растительного и рокайльного мотивов, живописью на парусах. Пострадал во время Великой Отечественной войны. Собор реставрирован в 1970—1972 гг. Сооружение уникально по своему объёмно-пространственному решению, не имеет аналогий в архитектуре украинского барокко.