Церковь относится к центрическим пятикупольным постройкам сер. XVIII века. Основой всей несущей конструкции храма являются четыре мощных пилона, на которые опирается основной центральный объем и своды притворов. Все перекрытия в храме сводчатые и выполнены в кирпиче. Храм имел калориферное отопление, печи располагались в помещениях под храмом, а дымоходы проложены под полом и в теле четырех пилонов.
Церковь четырехпрестольная. Приделы освящены во имя Рождества Христова, во имя мученицы Софии и ее дочерей Веры, Надежды и Любови, во имя иконы Божьей Матери Владимирской и во имя Святого Николая. Известно, что престол во имя Святителя Николая был освящен в 1871 году. Особая колокольня построена в 1909 году. Роспись внутреннего интерьера храма не сохранилась, за исключением удивительно красивой фрески Успения Пресвятой Богородицы.
Как предполагают исследователи, собор в Щелканово имеет много общего с проектами столичных сооружений, принадлежащих П.А. Трезини. Анализ сохранившихся материалов по пятикупольным соборным храмам первой половины – середины XVIII века говорит о том, что в основу сооружения щелкановского собора, возможно, был положен проект Петербургского происхождения.