La cathédrale fut construite selon les traditions architecturales russes, sur le modèle des anciennes cathédrales du Kremlin et de l'église de l'Ascension de Kolomenskoïe. Le dôme principal symbolise Jésus Christ, et est entouré de quatre dômes mineurs abritant les cloches et symbolisant les quatre apôtres évangélistes. Le galbe des dômes est traditionnel des églises médiévales moscovites du XVe au XVIIe siècles.
La façade sculptée de la cathédrale fut réalisée en marbre blanc de Protopopovo et les perrons en granit rouge de Finlande, malgré la consigne initiale de n'utiliser que des matériaux russes pour bâtir l'édifice. La forme cubique de la cathédrale est représentative du royaume céleste, les quatre murs représentant les quatre murs de la ville céleste. Les façades étaient chacune ornées de hauts-reliefs choisis par le métropolite Philarète, métropolite de Moscou au moment du début de la construction. Ces hauts-reliefs sont consacrés entre autres aux forces célestes, aux grands hommes de l'Orthodoxie et aux épisodes historiques ayant marqué la religion orthodoxe russe. Les angles des façades comportent des bas-reliefs, représentant les scènes de l'Ancien Testament, et qui furent réalisés par les sculpteurs Klodt, Loganovski et Ramazanov. L'ornement doré de l'extérieur de la cathédrale fut quant à lui l'œuvre de I.Dahl, fils du grand lexicographe Vladimir Ivanovitch Dahl.
À l'intérieur, le marbre d'Italie cotoyait les pierres locales, telles le porphyre ou le labrador vert. Le décor intérieur d'origine fut réalisé par des grands peintres russes de l'époque, parmi lesquels figuraient Briullov, Kramskoï, Sourikov ou encore Verechtchaguine. L'espace intérieur de la cathédrale est divisé en trois parties : le sanctuaire, la galerie supérieure et le déambulatoire.
Comme le veut la tradition, l'autel, situé dans le sanctuaire, est orienté vers l'Est, où se trouve l'Éden. L'abside, partie concave du mur du sanctuaire, est une représentation de la caverne de Bethléem. Au-dessus d'une sanctuaire est peinte une colombe, symbolisant le Saint-Esprit qui bénit l'autel. À l'intérieur de la conque se trouve une représentation de la scène de la Nativité, par Verechtchaguine, et en dessous une représentation de la Cène, par Semiradski. D'autres peintures entourent ces représentations centrales, dont six sont l'œuvre de Verechtchaguine. Enfin, derrière l'autel, se trouve une cathèdre, symbolisant le siège du Christ et faisant office de siège pour le patriarche lors des offices divins. Cette cathèdre est une des reliques ayant survécu à la destruction de la cathédrale.
La nef est séparée du sanctuaire par l'iconostase principale, qui, contrairement à la coutume qui veut que l'iconostase soit basse, fut construite tout en hauteur par le souhait du métropolite Philarète, afin d'être en accord avec l'aspect imposant de la cathédrale. Konstantin Thon opta pour une iconostase octaédrique composée de quatre registres, surmontés d'un toit pyramidal en bronze doré couronné d'une croix.
Le registre inférieur porte en son centre la Porte Sainte, symbole de l'entrée au royaume céleste, sur laquelle sont représentés l'Annonciation et les quatre apôtres évangélistes. Le deuxième registre se compose d'icônes consacrés aux fêtes du Seigneur et de la Sainte Vierge. Le troisième est, quant à lui, composé d'icônes représentant l'église du Nouveau Testament. Enfin, le quatrième, dit registre des Prophètes, contient une icône représentant la Sainte Vierge tenant l'enfant Jésus et entourée des prophètes de l'Ancien Testament.
Suite à la destruction de la cathédrale par les Soviétiques, la colline Alexeevski fut entièrement rasée, et il fallut donc reconstruire un stylobate immense pour y recréer la cathédrale. Ceci permit la construction de salles souterraines faisant partie intégrante de la cathédrale, et dans lesquelles fut notamment créé un musée historique. La cathédrale actuelle se distingue également de l'ancienne par les hauts-reliefs en bronze qui ornent les façades de la cathédrale, alors que les originaux étaient en marbre. Ces originaux (en photo ci-dessous) sont aujourd'hui conservés au monastère de Donskoï.