Архитектура храма, завершенного строительством к зиме 1760 года на месте прежней деревянной постройки, является эталоном сибирского барокко.
Композиция здания усложнена притворами, а над кровлей поднимаются ярусные купола ступообразной формы, вызывающие ассоциации с восточной культовой архитектурой. Направленность силуэта вверх подчеркивают пламенеющие фронтоны — сложные извивающиеся наличники над оконными проемами.
Все внешние стены практически лишены свободных плоскостей и покрыты сложнейшим ковровым орнаментом, созданным на основе комбинаций простых геометрических фигур и растительных завитков. В этом плотном плоскостном рельефе из фигурного кирпича исследователи выделяют не только традиционные русские узоры, но и азиатские солярные знаки, включая узел «ульзы» — буддийский символ долголетия, который сибирские мастера органично вписали в оформление христианского храма.
Являясь одним из старейших православных храмов Иркутска, церковь примечательна своей исторической судьбой: она продолжала действовать даже в советский период, благодаря чему внутри полностью сохранились подлинные интерьеры XVIII века, включая резные барочные иконостасы. Значимой вехой в летописи здания стало венчание, состоявшееся здесь в апреле 1851 года. В этих стенах сочетался браком знаменитый исследователь Дальнего Востока Геннадий Невельский — ученый, который первым доказал, что Сахалин является островом, и основал город Николаевск-на-Амуре.