Первое каменное сооружение ансамбля — Успенский собор, строительство которого велось с 1684 по 1689 годы, является самым древним из дошедших до нас каменных сооружений вятского края. Назначение храма быть главным монастырским зданием и определило его тип: пятиглавый, четырёх-столпный, с тремя полукружиями апсид тип, освящённый традицией. Первоначальное деревянное позакомарное покрытие в 40-е годы XVIII столетия было заменено на четырёхскатную железную кровлю, а в 1810 году деревянные крыльца уступили место каменным колонным портикам, возведённым по проекту губернского архитектора М. Кисельникова. Работы по перестройке рундуков возглавлял мастер каменных дел Фёдор Тюрин. Тогда же с запада пристроили крытую паперть с двумя палатками. Трёхчастный пониженный алтарь с востока и полукружия западных помещений подчёркивают центричность объёмной композиции собора, придают памятнику скульптурную пластичность. Последующие перестройки не повлияли на архитектурно-художественные качества храма. В 1805 году каменный пол был заменён на чугунные плиты, слюдяные окна уступили место стекольчатым. В 1825 году каменщик Иван Смирнов пробивает четыре окна в цокольной части храма, где под южным крыльцом размещалась кузница, а кладовая заняла небольшое помещение под алтарём.

Внешний облик собора отличается простотой и скромностью архитектурного образа. Гладкие и широкие лопатки, соответствующие конструктивной структуре собора, членят фасады на три прясла, оставляя большие поля ничем не украшенных стен. Горизонтальные линии архитектурной орнаментики составляют лёгкий междуярусный поясок и нарядный карниз, состоящий из тяг, ширинок, сухариков, поребрика. Крутые дуги закомар подчёркивают трёхчастную структуру декоративной композиции. В традициях зодчества середины XVII столетия выдержано оформление наличников: характерное завершение трёхлопастными кокошниками с килевидным повышением в центре, тонкие колонки, перехваченные «дынькой» и пояса «бусинок» по контуру боковых окон верхнего яруса света. Богато профилированные карнизы, изящные аркатурно-колончатые пояса украшают барабаны глав.

В интерьере собора сохранилась роспись. Первые живописные композиции на стенах храма появились ещё в XVIII столетии. В 1811 году местные иконописцы Яков Чарушин, Иван Мамаев и Демид Меньшиков расписали интерьеры на темы, связанные с посвящением храма Богородице.Внушительная фигура Вседержителя в центральном куполе, полные величия евангелисты на сводах боковых глав и сейчас украшают собор. Росписи алтарной части собора, выполненные губернским секретарем Иваном Пинаевым «по предъявленным рисункам и подлинникам», относятся к 1873 году. Остальная живопись во время ремонта 1894 года была записана приглашёнными епископом Варсонофием иконописцами из Палеха под руководством Л. И. Парилова. Новые композиции иллюстрирующие деяния Трифона Вятского представляют целый музей палехской живописи конца XIX века.

Главным же украшением собора служит резной пятиярусный иконостас. По своим художественным качествам он представляет блестящий образец высокого профессионального мастерства местных резчиков.