Спочатку храм мав триярусну форму, але в 1938-1939 роках під час розпису форма була змінена. Протягом всього існування храму його стіни, стелі і куполи розписувалися видатними художниками, а ікони писалися місцевими майстрами-позолотниками, чеканщиками й живописцями. Сьогодні це класична церковна кам’яна споруда у вигляді хреста з шатровим куполом. На особливу увагу заслуговує п’ятиярусна дзвіниця Вознесенського собору висотою 40 метрів і вагою свого найбільшого з восьми куполів, що становить більше шести тонн. Вознесенський собор в Білгород-Дністровському зберігає в своїх стінах рідкісні ікони і унікальні розписи, частку мощей святого Іоана Сучавського, яка була перевезена з міста Сучави, що в Румунії.