Храм спроектирован профессором Петербургской Академии художеств архитектором Михаилом Преображенским. Иконостас был выполнен по проекту выпускника московского Строгановского училища Леонида Пьяновского в мастерских братьев Хлебниковых в Москве. Иконы для иконостаса были написаны художником Глазуновым в стиле Симона Ушакова (ХVII век).

Для строительства собора использовались лучшие европейские материалы: облицовочный кирпич изготовлен в Германии, черепица для куполов и майолика ‑ в Италии, резьба по мрамору выполнена итальянскими мастерами. Купол колокольни и все шесть крестов, венчающих главы, покрыты сусальным золотом. Внешние декоративные элементы (арочные проемы, ниши для окон, наличники дверей и проемы южного фасада, балкончики на колокольне и т.д.) выполнены из резного белого мрамора и являются уникальной по своему совершенству работой.

В храме находится удивительная просветленная икона Чудотворца Николая, бывшая личная икона царевича Николая. Икона эта была при смертном одре царевича и, после кончины последнего, долгое время провисела над входными дверями памятной часовни. Под влиянием южного солнца и влаги образ этот абсолютно почернел, и изображение исчезло. В дальнейшем икону перенесли в собор и поместили на внутренней стороне иконостаса. 22 мая 1935 года, в день перенесения мощей Святителя Николая, церковный сторож вдруг заметил, что образ просветлел. Просветление увеличивалось с каждым днем и под слоем затвердевших капель лака появилось необыкновенное по красоте изображение Святителя Николая, а по сторонам ‑ Спасителя и Божией Матери. Вскоре можно было свободно прочесть текст раскрытого Евангелия в руках Спасителя и надпись над иконой. 1 июня 1935 года об этом было торжественно объявлено верующим, и отслужен молебен перед с почестями вынесенной из алтаря в середину храма иконой.

Икона эта, выставленная в северной части храма, чрезвычайно почитается прихожанами, и перед ней всегда можно видеть молящихся о помощи и избавлении от бед и напастей. Были засвидетельствованы случаи чудесной помощи и исцелений от этого образа.