Первоначальный проект разработал архитектор И.В. Штром, дальнейшая работа над проектом проходила при участии архитектора П.И. Спарро. Еще позже проект был изменен архитектором А.В. Беретти. В процессе строительства изменения были внесены профессором Р.Б. Бернгардтом. Возведением здания руководил академик В.Н. Николаев при участии архитектора К.Я. Маевского и инженера Д. Биркина. В плане храм трехнефный с четырьмя парами опорных столбов, несущих систему сводов и пять куполов. Над притвором, кроме того, устроены две лестничные башни с колокольнями в завершении. Длина здания 55 м, ширина 30 м, высота с крестом 49 м. Собор построен в неовизантийском стиле. Двери главного портала украшены литыми бронзовыми рельефами, изображающими княгиню Ольгу и князя Владимира Святославича. Росписи интерьера выполнены под общим наблюдением профессора А.В. Прахова художниками В.М. Васнецовым, П.А. Сведомским, В.А. Котарбинским, М.В. Нестеровым и М.А. Врубелем. Они придали интерьеру торжественный характер. Среди росписей выделяются полные драматизма и трагического пафоса композиции «Тайная вечеря», «Христос перед Пилатом», «Распятие» и другие сюжеты, а также яркие образы князей Игоря Святославича, героя «Слова о полку Игореве», и Андрея Боголюбского. Живопись иконостасов на хорах исполнена М.В. Нестеровым и отмечена изысканным холодноватым колоритом, лиризмом и задушевностью. Синтезом искусств и архитектуры собор принадлежит к лучшим произведениям архитектуры Киева второй половины XIX в.

© Г.Н. Логвин, Украина и Молдавия, «Искусство», М., 1982 г.