Покровский собор строился с 1892 по 1905 год. Здание типа базилики, в его восточной части — купол. Над ним высится стрельчатый свод в окружении четырех башенок. Колокольня не отделена от собора, ее соединяет с ним продолжение центрального объема, вытянутого перпендикулярно улице. У башенок и колокольни шатровое покрытие. Эта новаторская и самобытная конструкция русских каменных храмов — детище XVI века. Южная часть собора разрушена во время Великой Отечественной войны, уже в послевоенные годы были сняты маковки на главном куполе и колокольне, так как они могли упасть. Сейчас высота здания около 37 метров, колокольня — на 10 метров ниже.
Проектировал собор известный архитектор и художник В. А, Фельдман (1864—1928). В Севастополе он поселился в 1891 году, через два года после окончания архитектурного отдела Петербургской Академии художеств, и работал здесь до 1905 года. В. А. Фельдман ездил в Турцию и Египет, в Италию и на остров Капри, откуда привез множество интересных рисунков и набросков. Он автор 800 живописных и графических работ, нескольких книг по теории и практике акварельной и начертательной геометрии.