Это четырехстолпный пятиглавый храм, с трех сторон окруженный крытыми одноэтажными галереями, на которые можно попасть через очень высокие, изящные щипцовые крыльца на столбах. Изюминка храма в том, что к нему примыкают два абсолютно симметричных придела, равновеликих по высоте, и эти приделы завершаются пучками малых пятиглавий. Таким образом, это единственный в древнерусской архитектуре пятнадцатиглавый собор.

Все плоскости церкви покрыты сложными ковровыми узорами из лекального кирпича и изразцов. Столь же щедро украшены барабаны глав, некогда позолоченные.

Грандиозная работа по росписи интерьеров храма была осуществлена в 1695-96 годах артелью Федора Игнатьева и Дмитрия Плеханова. На стенах, столпах, сводах, галереях храма запечатлено более 500 различных сюжетов, что делает толчковский храм самым большим в мире памятником по количеству сюжетов росписи.

Отдельно от храма стоит столпообразная ярусная колокольня, близкая по декору к московскому барокко. В 1950-е гг. проводились работы по ликвидации крена колокольни, достигавшего в верхней отметке почти метра.