Дата постройки последнего здания: 1537-1542   см. фотографии объектов той же эпохи

Кирпичный четырехстолпный трехапсидный пятиглавый собор с позакомарным завершением. Поставлен на высоком подклете, с трёх сторон окружен закрытыми папертями. Сооружен в 1537-1542 попечением игум. Мисаила и Афанасия. В XVII в. перестроены паперти, в нач. 1810-х переделаны в духе барокко купола и устроена скатная кровля. В подклете были устроены приделы Димитрия и Игнатия Прилуцких (в 1642), Сергиевский, Сретенский (с 1786), Богоявленский (с 1788) и Успения прав. Анны (с 1831). В папертях в XIX в. устроены приделы Александра Невского и прп. Платона и Романа (с 1881 Преображенский). Закрыт в 1924. Отреставрирован в 1959-1963. Возвращен верующим в 1991, освящены главный престол и Сергиевский престол в нижнем этаже.

В нижнем храме собора под спудом покоятся мощи прп. Димитрия Прилуцкого (+1392) и прп. Игнатия Прилуцкого (1480-1522, в миру кн. Иоанн Угличский, заточенный в монастыре с 13 лет). В верхнем храме хранился чудотворный образ прп. Димитрия Прилуцкого.