Спасский собор построен в 1537—1542 годах на месте сгоревшего деревянного. Собор представляет собой пятиглавый храм на подклете, окружённый галереями, с тремя полуциркульными апсидами. Фасады здания поделены широкими лопатками на три прясла. Завершают прясла значительные по размеру закомары, средние из которых имеют больший размер, чем боковые. Переход к барабанам глав создаёт второй ярус закомар. Сильно выделяется по сравнению с боковыми центральная глава, имеющая в основании четыре закомары. Динамичное нарастание масс к центру формирует пирамидальную композицию.
Архитектура собора в целом согласована с традициями московского зодчества первой половины XVI века:
«Столичное происхождение подобного типа соборного храма бесспорно. Москва стремилась в это время утвердить на Севере свои архитектурные формы как общерусские, противопоставив их различным, в частности новгородским, влияниям. Спасский собор — один из лучших образцов этого нового направления, выразившего торжество и величие централизованного Русского государства».
Основное отличие от других московских сооружений указанного периода — лаконизм и скупость обработки фасадов: лёгкие удвоенные полочки-уступы на лопатках, простой карниз с раскреповками, оконные проёмы без наличников. Верхние части барабанов глав имеют более разнообразный, но типичный для северно-русских храмов конца XV — начала XVI веков декор (аналогичные примеры встречаются в Кирилло-Белозерском, Ферапонтовом монастырях): ряды килевидных арочек, прямоугольных нишек и бегунца, которые на центральном барабане дополнены кирпичными балясинами и лентой поребрика.
Собор с трёх сторон (кроме восточной) окружает двухъярусная галерея-гульбище с необычными открытыми арками второго яруса с эффектными килевидными архивольтами, аналогичными закомарам. Галерея поздняя, появилась предположительно в 1654—1671 годах, во время проведения крупномасштабных каменных работ в монастыре[9]. На галерею выходят три перспективных портала с колонками по бокам и килевидным верхом. С севера она заканчивается обширной двухэтажной ризничной палаткой с входом из алтаря. Время построения неизвестно, в монастырских записках значится, что она была перестроена в 1759 году[21]. К западному порталу ведёт большое крыльцо XVII века с лестницей. В своей конструкции оно содержит толстые кувшинообразные столбы, поддерживающие двойные арки с висячей гирькой. Первоначальный шатровый верх крыльца в XIX веке был заменён двускатной крышей.
Храмозданная надпись в паперти Спасского собора
Милостію Божіею и Пречистыя Его Матери и молитвами Преподобнаго
Димитрія, Прилуцкаго Чудотворца, въ лѣто 7045 (1537), индикта 10,
Маія 29, при державѣ Царя и Государя Іоанна Васильевича всея Россіи,
и по благословенію Преосвященного Митрополита Даніила всея Руссіи,
начала здатися церковь каменная Происхожденія Честнаго Креста
Господня игуменомъ Мисаиломъ, и еже о Христѣ съ братіею; и
совершена бысть церковь въ лѣто 7050, индикта 15, при томъ же
Государѣ и при Митрополитѣ Макаріи всея Pycciи и при игуменѣ
Аѳанасіи и еже о Христѣ съ братіею[19][22].
Коробовые своды ступенчатой конструкции поддерживают четыре массивных столпа. Внутри собора стены побелены. Вероятно, в древности они не были расписаны[20], хотя высказывалось и противоположное мнение[13]. Своды и стены верхнего храма были украшены живописью в 1859 году (утрачена), нижний этаж не был расписан из-за необходимости частых поновлений по причине сырости[9].
К концу XIX века в верхнем этаже собора было три престола и ещё пять — в нижнем[21]:
Престолы верхнего этажа:
Ранее в алтаре главного храма находились также престолы Димитрия Прилуцкого, Иоанна Богослова и Преображения. В 1656 году престол Димитрия Прилуцкого был перенесён в нижний этаж собора, а его место в нижнем отделении алтаря занял престол Иоанна Богослова. Преображенский престол после пожара 1811 года был перенесён в южную паперть на место существовавшего там ранее престола во имя святых мучеников Платона и Романа[21].
Престолы нижнего этажа:
по правую сторону от престола Димитрия и Игнатия
по левую сторону от престола Димитрия и Игнатия
Старая церковь-колокольня Трёх Святителей. Возведённая одновременно со Спасским собором колокольня занимала северо-западный угол галереи. Она была решена как церковь «под колоколы» — архитектурный тип, получивший распространение в XVI веке в Московском княжестве. В первом ярусе колокольни находился храм, а выше — открытый ярус звона, на который вела частично сохранившаяся узкая лестница в толще стены. Престол был освящён в честь трёх вселенских святителей — великих каппадокийцев Василия Великого, Григория Богослова и константинопольского патриарха Иоанна Златоуста.
В описи 1623 года указано:
« ... да колокольница при соборной церкви каменная, о одном верхе, а под колоколы церковь — Три Святителя[. »
В 1720 году старая церковь-колокольня была почти полностью разобрана, а колокола перенесены на новую. К настоящему времени от старой колокольни сохранилась только нижняя часть — подклет и первый ярус восьмигранного столпа, перекрытый сводом.
Новая колокольня с церковью Алексия. Между 1644 и 1656 годами была выстроена новая, более высокая колокольня. Согласно традиции середины XVII века, это была шатровая постройка типа «восьмерик на четверике». Её широкая нижняя часть — подклет с двумя кельями и двухъярусный четверик, декорированный скромными наличниками, плоскими лопатками и поясом кокошников по границе между двумя ярусами. Поставленный выше восьмерик сразу переходит в открытый ярус звона с арочными проёмами, украшенными килевидными архивольтами. Прежнее шатровое завершение было снято в 1720-е годы, при этом стены звона надложены, и на них водружён ещё один восьмерик, в котором были поставлены большие колёсные часы с боем[10]. В конце XVIII века верхний восьмерик получил завершение в виде фигурной кровли со шпилем.
Невысокая пристройка с западной стороны — церковь Алексия. Таким образом, новая колокольня, также как и старая, была призвана совмещать функции колокольни и храма, что для середины XVII века было не совсем обычно и говорит о следовании «прежним образцам»[20].
Из колоколов Спасо-Прилуцкого монастыря по именам известны «Большой» (357 пудов 30 фунтов), «Вестовой» и «Протас». Они были отлиты в 1736—1738 годах, а в разгар индустриализации, в 1935 году, были пущены на переплавку. Новые колокола (14 штук) были отлиты по образцу колокольни Софийского собора и водружены в 2007 году. Планируется отлить ещё один колокол массой 4 тонны