Архітэктуры Іосіфаўскага сабора былі ўласцівы характэрныя для расейскага класіцызму манументальнасць і лаканічнасць выразных сродкаў, заснаваных на выкарыстанні антычнай ордэрнай сістэмы. Аднак і гэты помнік вызначаўся своеасаблівасцю. Сабор меў трохчасткавую глыбінна-прасторавую структуру, тыповую для драўляных беларускіх храмаў, у адрозненне ад больш характэрных гэтаму стылю цэнтрычных кампазіцый. Да квадратнага ў плане асноўнага аб'ёма, завершанага паўсферычным купалам на круглым барабане, з усходу прылягала паўкруглая алтарная апсіда з конхавым пакрыццем, а з захаду — простакутны прытвор з двухсхільным дахам. Усе часткі аб'ядналіся агульным поясам антаблемента, што падкрэслівала гарызантальную будову мас.
Галоўны фасад сабора ўпрыгожваў строгі і ўрачысты шасцікалонны порцік дарычнага ордэра, па баках якога размяшчаліся глыбокія нішы са скульптурамі святых Іосіфа і Кацярыны, патронаў-заснавальнікаў храма. Плоскасці сцен бакавых фасадаў раскрапоўвалі накладныя чатырохкалонныя дарычныя порцікі, падкрэсліваючы такім чынам характэрную класіцызму важнасць і значнасць усіх фасадаў.
Вонкавая класічная строгасць збудавання не адпавядала дакладна арганізацыі яго інтэр'ера і маскіравала цікавае канструкцыйнае вырашэнне купала з дзвюма абалонкамі. У цэнтральнай частцы храма чатыры масіўныя апоры, злучаныя магутнымі паўцыркульнымі аркамі пры дапамозе ветразяў, падтрымлівалі ніжнюю абалонку купала, прарэзаную 12 арачнымі праёмамі і круглай адтулінай уверсе сферы. Верхнюю абалонку купала падтрымліваў круглы барабан з 12 круглымі вокнамі-люкарнамі. Праз праёмы ніжняй абалонкі праглядваліся фрэскавыя роспісы на паверхні верхняй сферы, асветленыя люкарнамі, што стварала ілюзорны эфект прарыву ў нябесную сферу, населеную святымі і анёламі.
Новай для беларускага дойлідства была незвычайная арганізацыя ўнутранай прасторы сабора. Аснову яе складала васьмігранная падкупальная зала. Алтарная частка, абмежаваная паўкруглай апсідай і выгнутай алтарнай перагародкай, таксама ўтварала ў плане правільную геаметрычную фігуру — круг. Цэнтрычнасць яе кампазіцыі падкрэслівала шасцікалонная альтанка-ратонда з паўсферычным купалам, размешчаная ў алтары.
Паміж вонкавымі сценамі і падкупальнымі апорамі ўтвараліся вузкія праходы, перакрытыя цыліндрычнымі скляпеннямі, што надавала ім падоўжны накірунак і выгляд бакавых нефаў. Тая ж тэма працягвалася і ва ўваходным аб'ёме, які двума радамі спараных іянічных калон, абліцаваных светла-жоўтым і зялёным мармурам, падзяляўся на тры нефы. У гэтым відавочна імкненне спалучыць новыя мастацкія прынцыпы архітэктуры класіцызму з традыцыйнай для беларускіх храмаў папярэдняга часу базілікальнасцю.
У дэкаратыўным афармленні інтэр'ера вялікую ролю адыгрывалі фрэскавыя роспісы, круглая скульптура, рэльефныя медальёны, абліцоўка паліхромнымі мармурамі і архітэктурны дэкор у тэхніцы грызайль. У мастацкім аздабленні сабора прымаў удзел вядомы расейскі мастак У. Л. Баравікоўскі, які напісаў восем вялікіх абразоў для іканастаса і, магчыма, з'яўляўся аўтарам роспісаў скляпенняў.
Па праекту М. А. Львова вуліца перад Іосіфаўскім саборам была пашырана і ўтворана плошча ў выглядзе авала, якая атрымала назву Саборнай. Кампазіцыйным цэнтрам рэгулярнага горадабудаўнічага ансамбля стаў сабор, размешчаны па папярочнай восі сіметрыі плошчы. З другога боку яе замыкала манументальная брама. Падоўжную вось плошчы падкрэслівалі чатыры аднатыпныя пабудовы на рагах вуліцы. Форму авала стварала невысокая агароджа, якая злучала з процілеглых бакоў плошчы гэтыя пабудовы. Іосіфаўскі сабор знаходзіўся на той жа Вялікай Шклоўскай вуліцы, што і сабор Богаяўленскага манастыра, але на большай адлегласці ад старажытнага цэнтра горада. У XIX ст. Вялікая Шклоўская вуліца была перайменавана ў Дняпроўскі праспект.
Пры параўнанні праектных чарцяжоў сабора і акварэлі пачатку XIX ст. з выявай Саборнай плошчы з фотаздымкам пачатку XX ст. можна ўбачыць, што першапачаткова вельмі пакаты купал храма пазней набыў больш стромкі контур, магчыма, з-за кліматычных умоў. Але ў асноўным будынак не пацярпеў за стагоддзе істотных змен.
Відавочна, што расейскі царскі ўрад ставіўся з павагай да праваслаўных святынь Магілева. Аднак горкі лёс напаткаў іх у савецкі час. Не толькі гэтыя, але і шматлікія іншыя архітэктурныя ансамблі старажытнага горада зруйнавалі не войны, а рэалізацыя праектаў «сацыялістычнай рэканструкцыі».