Строительство храма было начато в 1742 году и окончено в 1746-м. Стиль строения выбран не случайно, в то время практически все значимые постройки, как каменные, так и деревянные, возводились именно в стиле казацкого барокко. Многие знатоки украинской архитектуры отмечают сходство архитектуры Святодуховского собора в Ромнах с Вознесенским собором киевского Фроловского монастыря, построенным несколько раньше, в 1732 году. Оба здания имеют в основе архитектуры кубический объем, который характерен для крестово-купольных культовых сооружений еще со времен княжеской Руси. Подобен у соборов и тридельный объем, увенчанный тремя куполами, которые сейчас отличаются по форме, но до Второй мировой войны были одинаковыми – грушеподобными. В ансамбль Святодуховского собора входят Васильевская церковь, дом священника, первоначально построенный как свечная лавка, и ограда. Рядом с территорией собора с одной стороны находятся остатки крепости-детинца времен древней Руси, а с другой – Базарная площадь – это всё, что осталось от проходившей здесь когда-то Ильинской ярмарки, второй в Российской империи по размеру. Трудно поверить, но в городок, численность населения которого не превышала семи тысяч, съезжалось до 120 тысяч людей.