Собор был первоначально пятиглавый со световым центральным барабаном и позакомарным покрытием, как свидетельствует план «Кремленаграда» начала 1600-х годов.
Новый храм возвышался на двухъярусном подклете предыдущего, о чем также говорит разница материалов (подклеты выполнены из белого камня, а сам храм из кирпича). В связи с увеличением культурного слоя подклеты опустились ниже уровня земли, таким образом, нижний уровень в отличие от верхнего не имел естественного освещения, однако каждый из них имел отдельный вход. Именно в этом подклете в 1611 году был заключен патриарх Гермоген.

К трем неодинаковым порталам собора вели высокие лестничные всходы с крыльцами, пристроенными позднее. Все фасады, кроме восточного, были украшены аркатурноколончатым поясом, орнаментальным фризом. Декоративные приемы, используемые в памятнике, говорят о возможном участии итальянских мастеров, работавших в Кремле в конце XV - начале XVI веков. По общему решению объема и в деталях декора Чудов собор воспроизводит черты Успенского собора А. Фиораванти.