В центре четырехугольника, образованного корпусами монастыря, высится Пантелеймоновский собор, построенный в 1888-1900 годах. Его венчают пять куполов; высота центрального — 40 метров. Длина собора — 53,3 метра, ширина — 33,7. Собор построен в ново-византийском стиле по проекту архитектора Никонова Н.Н. и представляет собой замечательный образец творения русских зодчих, отличается величественными размерами и одновременно может вмещать более 3000 человек.

Центральный предел храма посвящен святому Пантелеймону, икона которого, располагается на главном аналое в центре и является точным списком с чудотворной иконы. Находящейся на «Старом Афоне» в Греции, переданным в 1876 году в качестве благословения.
Остальные четыре предела освящены в честь святых покровителей семьи императора Александра III, посетившего строящуюся обитель в 1888 году и заложившего первый камень в основание собора.
Нижний — северный предел храма освящен в честь святого Александра Невского. В нем находится единственный сохранившийся иконостас. Верхний посвящен святой равноапостольной Марии Магдалине. С южной стороны храма нижний придел освящен в честь святителя Николая Чудотворца, а на хорах – святого Георгия Победоносца.