Наиболее значительным архитектурным сооружением второй половины XIX века стала в Вытегре каменная Сретенская церковь, возведенная в 1869—1873 годах по проекту олонецкого губернского архитектора А. С. Четверухина. Артель каменщиков возглавлял крестьянин из деревни Слободы Песочной Костромской губернии Иван Васильев Волков. Открытие церкви было приурочено к столетнему юбилею города.

Сретенская церковь в Вытегре является характерным произведением «русско-византийского стиля», развивавшегося в русской архитектуре второй половины XIX века под влиянием творчества К. А. Тона, А. М. Горностаева, Г. Г. Гагарина, обратившихся к изучению и освоению наследия византийского и древнерусского зодчества. В плане она имеет форму креста. Пять восьмигранных барабанов возведены над системой коробовых и парусных сводов и подпружных арок, опирающихся на массивные стены и четыре крещатых столба. Над барабанами возвышаются восьмигранные же луковичные главы. Высокие арочные окна обрамлены на фасадах объемными наличниками с килевидным завершением. Некоторые окна имеют сандрики в виде разорванного фронтона. Высокая колокольня завершается шатром, напоминая силуэт шатрового храма.

Весь громоздкий, усложненный декор фасадов храма с преобладанием сухих линий горизонтальных тяг, с механическим соединением элементов древнерусской архитектуры и классической ордерной системы, подавляет своей безжизненной монотонностью. Но безусловным достоинством Сретенской церкви является ее чрезвычайно удачное расположение. Венчая противоположный возвышенный берег Вытегры (Красную Горку), Сретенская церковь господствует над городом и над всей окружающей местностью. Издали она производит впечатление своей величавой массивностью и спокойной игрой разнообразных объемов.

В настоящее время в Сретенской церкви размещается экспозиция Вытегорского краеведческого музея. Свою историю он ведет с 1918 года. Основу музейного собрания составили экспонаты кабинета наглядных пособий местного реального училища.

Часть храма возвращена Православной церкви.