Четырехстолпная, квадратная в плане церковная постройка с традиционными тремя апсидами на востоке, вероятно имела сложный динамичный верх, приподнимавший единственный купол на высоком барабане, что не нашло отражение при восстановлении собора. Храм имеет в западной части наоса хоры, лестницы на которые расположены в единственных в своем роде лестничных башнях, примыкающих к западных углам сооружения. Сложнопрофилированные пилястры, которые разделяют фасады на прясла, а также членят стены лестничных башен, «бровки» над перспективными порталами и другие детали показывают, что Васильевская церковь продолжала традиции стиля храмов с повышенной башнеобразной композицией завершения, выразительного направления в русской архитектуре второй половины XII-начала XIII века, сложившегося в церкви Михаила Архангела (Свирской) в Смоленке.
В храме сохранились росписи, выполненные после восстановления сооружения К.С. Петровым-Водкиным.
В 1909 году было восстановлено по проекту А.В.Щусева.