Николо-Дворищенский собор — четырехстолпный крестово-купольный храм. Крестчатые в плане столбы делят его внутренее пространство на три продольных нефа. План собора отражает традиции киевской архитектуры. Каждый неы заканчивается апсидой. Центральный крест перекрыт коробовом сводом. Над средним квадратом воздвигнут барабан, увенчанный куполом. Ранее и другие четыре квадрата боковых нефов завершались барабанами и главками (автор реставрации Ю.Э. Крушельницкий). В западной части храма имеются хоры, куда можно было попасть по переходу из существовавшего ранее дворцового здания. Позднее в стене была устроена лестница на хоры, остатки которой были обранужены при раскопках в 1969 году. Храм имеет пятиглавое завершение, простые и строгие фасады членятся соответственно внутренней структуре собора значительно выступающими плоскими лопатками, завершавшимися первоначально полукружьями закомар. Фасады декорировались рядами двухуступчатых полуциркульных ниш. Нижние ниши были обнаружены в результате раскопок.
Николо-Дворищенский собор был расписан фресками, от которых сохранились незначительные фрагменты. Это изображение жены Иова. подающей пищу мужу, остатки росписи в алтарной части, а также орнаментальные фрески хорошей сохранности в оконных проемах южной и северной стен. Позднее обнаружены новые фрески — фигуры святых и орнаменты в виде волн.
