Основная часть храма — сильно вытянутый в высоту куб, увенчанный пятью главами на тонких барабанах, с трапезной (тёплая церковь) и связанной с ней с западной части колокольней и крыльцом. Фасады украшает широкий карниз с фигурной кладкой из кирпича в виде кронштейнов-городков. Тот же мотив использован на барабанах главок, на фасаде трапезной и на трёхъярусной колокольне. Углы здания оформлены парными пилястрами. Под карнизом, на пилястрах, наличниках и фронтонах помещены вставки из поливных фигурных изразцов — уникальная для вологодских церквей этого времени деталь. Замечательны богатые наличники окон, сочетающие мотивы русского узорочья с новыми формами, пришедшими в русскую архитектуру в Петровское время («рваные фронтоны»).
Тёплая церковь была освящена в 1737 году, холодная в 1740 году, вновь освящена в 1837(1835?) году. Колокольня и крыльцо подверглись значительной перестройке в 1830—1860 годах.
В описи здания церкви 1860 года указывалось, что в нижних этажах храма устроены палатки, кладовые и сторожка (в нижнем ярусе колокольни).
Иконостас в холодном храме был деревянный столярной работы на Византийский вкус, выкрашенный под мрамор.
В годы советской власти внутреннее убранство церкви было утрачено, за исключением лепных узоров в верхней части холодного храма (под куполом). Известно, что именно из Сретенской церкви происходят несколько известных икон, находящихся сейчас в коллекциях российских музеев. Например икона «Снятие со креста» XVI века, находится сегодня в Государственной Третьяковской галерее.
