Архитектурно храм представляет собой двусветное помещение, занимающее два этажа центральной части здания. Вход в храм отмечен восьмиколонным портиком, а полукупол со стороны сада венчает золочёный крест. В 1868 году на фронтоне портика была установлена бронзовая фигура ангела, пожертвованная графом Владимиром Петровичем Орловым-Давыдовым. В советское время фигура ангела была утрачена, но воссоздана и возвращена на место летом 2007 года.
Внутреннее убранство храма отличалось светлым и торжественным оформлением. Под потолком располагался ряд больших окон, обеспечивающих хорошее естественное освещение. В центре храма находилась большая бронзовая позолоченная люстра, корпус которой был выточен из слоновой кости и украшен резными портретами императора Павла I. Каменный иконостас имел два яруса икон и завершался фронтоном с изображением всевидящего ока Божия. Иконы для иконостаса были написаны художниками Иваном Филипповичем Тупылевым и Андреем Ивановичем Ивановым.
После революции 1917 года храм был закрыт в 1918 году и в 1923 году переоборудован под зал заседаний. Богослужения возобновились только в 2000 году, в праздник Рождества Христова. В связи с капитальным ремонтом главного корпуса больницы службы некоторое время проводились в переоборудованной учебной аудитории.
