По типу храм первоначально имел структуру шестистолпного крестовокупольного храма. Позже (около 1088 г.) с западной стороны к нему был пристроен нартекс с башней с северной стороны. Широкий нартекс вмещает с левой стороны башню с лестницей, ведущей на хоры. Башня включена в объем здания и выходит на северный фасад криволинейным в плане выступом. В результате раскопок обнаружены остатки прямоугольной в плане пристройки, вероятно, терема или башни, примыкавшей к собору с юго-востока и усыпальницы с северной стороны.



Собор сохранился лишь частично. Для предохранения от оползней храм был укреплен не виданной по тем временам подпорной стеной, строительство которой началось в 1199 г под руководством зодчего Петра-Милонега. Однако в ХVI в., когда обитель переживала упадок, эта стена все же не спасла от обрушения восточную часть храма (1580-е годы). Древняя кладка стен сохранилась на высоте до нового карниза. Очертания и профилировка ниш и оконных проемов сохранили свои древние формы.



Обрушившаяся часть была восстановлена в дереве при митрополите Петре Могиле в первой половине XVII в. Деревянная алтарная пристройка просуществовала до 1760 г., когда Михайловский собор пострадал от пожара. Восстановление его было поручено архит. М. И. Юрасову и продолжалось в течение 1766 – 1769 гг. В это время частично отстроены северная и южная стены, заново возведены восточная стена с тремя апсидами; тогда же были сделаны новые своды и купол, устроен второй этаж, на который вела лестница древней северной башни. Достройки XVIII в. придали формам здания барочный характер. Архитектурно-археологические исследования памятника произведены А. Д. Эртелем, В. П. Песчанским (1916 г.), М. К. Каргером (1945 г.), И. И. Мовчаном (1972—1973 гг.). В 1974 – 1981 гг. проведены реставрационные работы памятника. Во время реставрации в интерьере были обнаружены фресковая живопись и граффити XI в., а также живопись XVIII—XIX вв.