Взяв за основу владимирский Успенский собор, Фиораванти создает произведение, отличное от своего прототипа, с присущими только ему архитектурно-художественными чертами. Они заключаются не только в иной пропорциональности всех элементов, но и в строгой симметричности их расположения. Восточный фасад, зажатый двумя мощными контрфорсами, расчленен пятью апсидами – по две с каждой стороны от центральной, главной апсиды. Он завершен тремя дугами закомар, образующими свободное пространство, заполненное над полусферами апсид живописью. Этот прием отличает произведение Фиораванти от Успенского собора во Владимире, где апсиды почти достигают высоты позакомарного покрытия.
Южный и северный фасады имеют по четыре равпых прясла стен, западный – три. В среднем прясле этого фасада, по оси центральной апсиды находится крыльцо, декоративно обработанное двойной арочкой с висячей гирькой посредине. Этот прием получил впоследствии очень широкое распространение в русской архитектуре. Боковые перспективные порталы смещены к третьему пряслу и образуют поперечную ось здания. Каждое верхнее окно прорезано по оси полукружия закомар, а среднее – по оси аркатурно-колончатого пояса. Все отдельные элементы здания и его пропорции составляют единое гармоничное целое.
Летописец нашел проникновенное определение того ощущения, какое возникает у входящего в собор: величавость, светлость и приподнятость, которую он назвал «звонкостью». Впервые в истории русской архитектуры интерьер храма предстал в виде огромного и нерасчлененного, свободно обозримого и высокого зала. И внутри собора, так же как и в фасадах, Фиораванти сохраняет ритм и взаимосвязь равновеликих элементов, в своей совокупности организующих пространство. Этими элементами явились двенадцать равных отсеков между столбами, перекрытых крестовыми сводами. Зодчий отказался от хоров – непременной принадлежности великокняжеских соборов – и от подкупольного пространства, равного диаметру большой средней главы. Но необходимость придерживаться церковного канона, который требовал, чтобы центральный купол был больше четырех боковых, заставил Фиораванти выложить его барабан на стене, расположенной с отступом от внутреннего кольца, из-за чего в основании барабана образовалась полая кольцевая камера. Этим конструктивным приемом зодчий примирил новое решение с традициями древнерусского храмового строительства.
Еще при жизни Фиораванти, в 1481 г., были закончены основные циклы фресковой росписи, а к 1515 г. все стены, колонны и столбы полностью покрылись живописью. Она сохранялась до середины XVII века, когда, сильно обветшавшая, была возобновлена по специально снятым прописям. Затем на протяжении веков они неоднократно поновлялись. И только в 1914 г. началась их научная реставрация. В 1920-х годах были раскрыты считавшиеся утраченными подлинные стенные росписи XV – начала XVI века в северо-восточной апсиде и в алтарной преграде. Эти бесценные фрагменты по своему стилистическому характеру восходят к фрескам Ферапонтова монастыря, выполненным в 1500-1502 гг. Дионисием и его дружиной художников.