Успенский собор по окончанию строительства представлял собой пятиглавый трехапсидный четырёхстолпный храм крестово-купольного типа, который с севера, запада и юга окружали аркады каменных двухярусных папертей с крыльцами. Пространство собора состояло из трёх ярусов – подвала, подклета и, самой церкви Успения Божьей матери с приделом великомученика Георгия в южной апсиде. Интерьер церкви украшал четырехъярусный тябловый иконостас.
Нижние ярусы собора – подвал и подклет – имели хозяйское назначение, связанное с княжеским двором. О дворцовом характере дмитровского памятника архитектуры свидетельствует его трехъярусная структура, в которой самой церкви отдан только верхний ярус.
Неизвестно, существовала ли первоначально при соборе колокольня, так как в древности подобные сооружения не являлись обязательными. Однако историки предполагают наличие деревянной колокольни, уничтоженной в смутное время или разобранной за ветхостью в конце XVI века.
Уникальными деталями наружного декора собора являются три глиняных изразцовых барельефа первой половины XVI века: круглый, диаметром 3 метра, барельеф, изображающий Георгия Победоносца, и два распятия.
