Первоначально был возведен основной объем храма типа «восьмерик на четверике» с пятиглавым завершением и трапезной частью, включающей северный одноглавый Петропавловский придел. В 1815 году рядом с собором была построена колокольня в стиле классицизма, на которой был установлен самый большой в Иркутске колокол весом 12 тонн.
Архитектурный облик собора сочетает в себе элементы древнерусского зодчества и барокко. Фасады украшены декоративными элементами, характерными для сибирского барокко, включая перспективный портал у входа в придел под колокольней, напоминающий аналогичные элементы в постройках уральского узорочья. Внутреннее убранство храма выполнено в стиле нарышкинского барокко, что придает ему особую художественную ценность.
В 1746 году собор Богоявления стал кафедральным собором Иркутской епархии, выполняя эту функцию до 1894 года. В этот период в соборе хранились мощи святителя Иннокентия (Кульчицкого), первого епископа Иркутского, канонизированного в 1804 году. Мощи святителя были перенесены в соборную церковь Вознесенского монастыря в 1805 году и оставались там до 1921 года, когда были отправлены в Москву. В 1990 году мощи были вновь обретены и возвращены в Иркутск, ныне они хранятся в Знаменском монастыре.
В советский период собор Богоявления, как и многие другие религиозные сооружения, подвергся закрытию и использовался не по назначению. Однако в 1960-х годах, благодаря усилиям архитектора-реставратора Галины Геннадьевны Оранской, начались работы по его реставрации. В 1960 году были проведены историко-архивные исследования, а в 1975 году выданы рабочие чертежи для реставрационных работ. В результате проведенных мероприятий собор был восстановлен и вновь открыт для посещения.
В 2013 году собор Богоявления вновь получил статус кафедрального собора Иркутской епархии, который сохраняет по настоящее время. В настоящее время собор является действующим храмом, в котором регулярно проводятся богослужения на церковнославянском языке. Собор также является объектом культурного наследия федерального значения и привлекает внимание как местных жителей, так и многочисленных туристов.
