Собор возведён в 1602—1604 годах как подворье загородной Софрониевской пустыни. Кроме церковной функции он выполнял ещё и оборонительную функцию. Поскольку собор возводился посреди тесного крепостного двора, застроенного со всех сторон, пришлось объединить в его здании амбар — в подвале и в подклете, трапезную и кухню — в подклете, собор и тёплую церковь — на втором ярусе, боевую камеру с бойницами — на третьем ярусе, над алтарём.
В архитектурном плане здания есть три неординарные особенности: алтарь в виде квадратной башни, а не полукруглой апсиды; камера оборонного назначения на третьем ярусе алтаря увенчана шатром; перекрытия подклетка нефа системой крестовых сводов со столбом посередине. Эта композиция является редкой для украинской архитектуры. Собор принадлежит к типу многофункциональных культовых сооружений, приспособленных к обороне, которые называют «церквями-крепостями».
В 1612 году собор пострадал от пожара и был полностью восстановлен в 1630—1636 годах. Следующие перестройки произошли в 1666—1669, 1778, 1860-х годах, когда в собор был построен одноэтажный корпус библиотеки.
Здание имеет черты характерны для московской архитектуры XVI—XVIII веков с проявлениями украинского архитектурного типа, тяготел к высотным башнеподобных композиций.
Был закрыт в середине 20-х годов вместе с монастырем. В 1921 году здесь произошел пожар, после которого пришлось разобрать соборную галерею и библиотеку. Во второй половине 40-х — начале 50-х годов XX века, в пределе собора в честь святих Зосимы и Савватия Соловецких чудотворцев, было разрешено отправлять богослужения.
К особо почитаемых святынь этого храма относятся чудотворная икона Мовчанской Божьей Матери (1724) возвращена монастырю в 1995 году; небольшая рака с мощами Святых угодников, икона Пресвятой Богородицы «Утоли мои печали» (XVIII век), икона «Троица» (XIX век), образ «Вознесение» (XIX век) и другие.