Белоснежный собор построен в русско-византийском стиле. Его основу составляет шестистолпный четверик, имеющий форму удлиненного по вертикали куба. Столпы опираются на подпружные арки. Наверху храма возвышаются пять массивных глав. Любопытно, что они стоят не посредине, а ближе к восточной части собора. По христианской традиции пятиглавье посвящено Иисусу Христу и четырем Евангелистам. Центральная глава собора сверкает позолотой, а другие главы покрашены в серый цвет.
К соборному зданию примыкают два придела и закрытая галерея, соединенная с притвором. Нижний ярус, скорее всего, служил подклетом старого собора. С 1903 года в нем находится церковь, освященная в честь Серафима Саровского, а за ее алтарем расположена древняя усыпальница. Чтобы попасть на верхний ярус, нужно подняться по крыльцу и широкой лестнице.
Неподалеку от собора стоит белая колокольня с часами. Она появилась позже собора (XVIII век). Высокое здание венчает остроконечный шпиль. Колокольню построили в традициях классицизма, но, несмотря на это, она составляет с храмом гармоничный архитектурный ансамбль.
Внутри собора нет настенных росписей - они сгорели во время пожара в XVII веке. Однако, интерьеры храма украшает огромный иконостас с позолоченной резьбой. В соборе можно увидеть большую современную икону «Собор Псковский Святых», на которой изображены христианские подвижники Псковских земель во главе с княгиней Ольгой.
