В западной части — колокольня, которая не отделена от собора. Ее соединяет с храмом продолжение центрального объема, вытянутого перпендикулярно улице. Башенки и колокольня имеют шатровое покрытие, увенчаны маковками луковичной формы. С севера и юга имелось два придела (южный придел не сохранился, начал восстанавливаться в 1996 году). К западной части примыкает трапезная, имеющая внутри два ряда столбов и лестницу, ведущую на хоры.Вход в трапезную шел через имеющее вид закрытой галереи крыльцо с каменной лестницей. Здание украшено рядами полукруглых кокошников, карнизы подчеркнуты лепными фризами. Собор построен из тесаного инкерманского и крымбальского камня.

Кровля куполов выполнена из оцинкованной штучной черепицы, остальная — покрыта оцинкованной сталью. Высота здания - около 37 м, колокольня на 10 м ниже.Внутри собора было два храма. Верхняя церковь — Покрова Пресвятья Богородицы, в нижнем же, подвальном помещении, располагался Софийский храм. Там были склепы, точное расположение которых неизвестно.В мае 1917 года в склепах были помещены гробы с останками революционеров П.П. Шмидта, С.П. Частника, И.А. Гладкова, Н.Г. Антоненко, привезенные в Севастополь с о.Березань. В ноябре 1923 года их перезахоронили на Кладбище Коммунаров.После 1917 года в соборе действовало православное религиозное общество, велась церковная служба.В годы Великой Отечественной войны здание сильно пострадало, полностью был разрушен южный придел (правое крыло здания).

После войны здание было восстановлено, церковная служба велась до начала 1959 года.С 1959 по 1969 годы в нем были размещены городской архив и спортивный зал. С 1969 года здание было полностью передано архиву.В 1992 г. северный придел собора был передан верующим и освящен 8 апреля во имя святого великомученника Пантелеймона. В нем стала постоянно вестись церковная служба. Полностью здание собора было освобождено архивом и передано церкви в начале 1994 года.В начале 1994 г. верующим было отдано все здание. Купола и кресты покрыли сусальным золотом, в восточной части собора на внешней стене здания выполнили из мозаики икону Покрова Пресвятой Божией Матери - главная достопримечательность собора.