Здание храма построено в 1802—1814 гг. в псевдоготическом стиле (русская готика), поставлено на высоком кремлёвском холме. Храм виден издалека на подъездах к городу с западной стороны по Старой Смоленской дороге. Проект храма разработал московский архитектор, ученик Матвея Казакова Алексей Бакарев. По архитектуре он очень близок с собором апостолов Петра и Павла в Петропавловской крепости Санкт-Петербурга - такое же вытянутое с запада на восток прямоугольное здание, характерное для западноевропейской традиции, те же спаренные колонны и полуколонны на фасадных стенах, такая же многоярусная колокольня, увенчанная высоким и тонким шпилем. Но в отличие от Петропавловского собора, скромного, почти аскетичного, Можайский богато украшен белокаменным декором, изящными ротондами и башенками, узкими стрельчатыми окнами.