Здание возведено из ингулецкого известняка, поэтому имеет бледно-желтый оттенок. Собор выдержан в стиле русского классицизма. Имеются исторические свидетельства того, что иконостас, который не сохранился, был выполнен по западноевропейским традициям. Часть икон ныне пополняет коллекцию Херсонского художественного музея. В 1787-м году собор посетила лично Екатерина Вторая, а в 1915-м здесь побывал Николай Второй с наследником. В подвальном склепе собора погребены останки князя Потемкина-Таврического, имевшего непосредственное отношение к основанию Херсона и чтимого потомками поныне. Уже в 1800-м году к собору пристроили колокольню, которая пострадала во время ближайшего землетрясения через два года. Вскоре рядом появилась временная колокольня, колокол для которой подарила императрица Екатерина Вторая. В соборе почитаются святыни, в частности частица мощей великомученицы Варвары и икона Божией Матери "Не рыдай Мене, Мати".