Дата постройки последнего здания: 1772-1776   см. фотографии объектов той же эпохи

Кирпичный двухэтажный храм, овальный в плане, с угловыми круглыми башнями, образующими вместе с главным куполом пятиглавое завершение. Оригинальное по архитектуре здание в стиле барокко. Построен в 1772-1776 как зимний кафедральный собор попечением архиеп. Иосифа (Золотого), западный притвор пристроен в 1824. В нижнем этаже ок. 1805 был освящен престол Киево-Печерских чудотворцев. Закрыт в 1938, передан музею. С 1954 занят областной картинной галереей. В марте 2016 передан Вологодской епархии, освящен 6 дек. 2016. 30 окт. 2022 освящен нижний храм.

В соборе хранились чудотворная явленая иконы Богоматери Всех Скорбящих Радость и чудотворная икона Троицы с зырянской надписью, приписываемая св. Стефану Пермскому.