Архитектура Успенского собора довольно необычна для русского зодчества. В плане это шестистолпный пятиглавый собор. Строгий мерный ритм расстановки столбов отразился во всем композиционном строе здания, проникнутом беспримерной для русского зодчества математичностью построения. Вместо привычной крестово-купольной системы, когда центральные членения храма перекрываются сводами, образующими в плане крест, причем обычно они (центральные членения) шире боковых, здесь одинаковые квадратные клеточки-ячейки плана перекрыты одинаковыми же крестовыми сводами (в плане ребра такого свода образуют крест). Четыре столба собора круглые, два восточных - квадратные. Квадратные столбы и примкнувшая к ним алтарная преграда обособляют внутри восточную часть собора. Деление на неравноценные восточную и западные части подчеркнуто и тем, что в алтаре добавлены два дополнительных массивных столба, поставленных в середине пролетов арок, переброшенных к восточной стене. Введение дополнительного южного столба в известной степени оправдано, поскольку связано с устройством сводчатых перекрытий Похвальского придела и размещенной над ним ризницы. Северный столб добавлен исключительно ради симметрии и лишен вообще какого-либо конструктивного значения. Еще более осложнила задачу Фиорованти необходимость построения апсид, без которых не мог обойтись православный храм. В итоге зодчий вышел из положения, сделав апсиды глубокими, как пеналы и как бы вдвинутыми в восточную часть здания. Кроме того, с боков снаружи их прикрывают небольшие стенки (выступы угловых лопаток). Самих апсид пять. Устройство сдвоенных узких апсид у боковых нефов обусловлено необходимостью разместить в алтарной части, помимо основного престола, жертвенник и приделы (Поклонения веригам апостола Петра, Похвалы Богородицы и Дмитрия Солунского), существовавшие у храма предшественника. (Некоторые исследователи, например К.К. Романов, считали, что Дмитриевский придел появился позже.) В неменьшей степени проблему противоречия единству равномерно расчлененного пространства храма представляла и необходимость повторить пятиглавие взятого за образец собора во Владимире. Это пятиглавие в Успенском соборе сдвинуто к востоку в соответствии с традицией, при которой основной световой барабан размещался над амвоном. Как средний, так и угловые барабаны в соборе расположены над одинаковыми по размерам ячейками и поставлены на одной высоте, причем восточные отчленены иконостасом. В итоге центричность композиции присутствует лишь во внешней композиции здания, в его завершении, где средний барабан господствует своими размерами над угловыми. Прием взят из композиции крестово-купольного храма. Но там он естественнен, так как средние членения шире угловых. Здесь же Фиораванти пришлось пойти на некоторую хитрость. Если посмотреть внутри здания, видно, что отверстия в куполе равны. Диаметр же центрального барабана приблизительно на метр превышает диаметр отверстия, на котором высится глава. Образовавшееся в главе "лишнее" пространство Аристотель остроумно использовал как тайник: туда в случае опасности можно было отнести через крышу церковную казну. Несмотря на все проблемы, здание удалось построить так, что в нем преобладает ощущение цельности внутреннего пространства, не разгороженного, а лишь архитектурно расчлененного широко расставленными стройными круглыми столбами. Это ощущение хорошо было передано словами летописца: "Бысть же та церковь чюдна велми величеством, и высотою, и светлостью, и звоностию и пространством, такова же преже того не бывала в Руси, опричь Владимирскиа церкви" (ПСРЛ, т. VIII, с. 201 - цитирую по С.С. Подъяпольский. К вопросу о своеобразии архитектуры московского Успенского собора).
Внешний вид храма более традиционен. Фасады делятся лопатками на равные части: северный и южный - на четыре, западный и восточный - на три. Каждое из членений фасадов завершается полукружием закомары. Архитектурный декор очень скромный. Гладь стен прорезается широким аркатурно-колончатым поясом со щелевидными окнами (несомненно восходящим к поясу владимирского Успенского собора). Верхний ряд окон сильно поднят и частично захватывает поле закомар. Перспективные порталы вместе с центральным куполом выделяют основную вертикальную ось здания. Апсиды равной высоты несколько понижены по отношению к основному объему. С запада к собору пристроена крытая паперть. Мнение о том, когда она была построена, у исследователей расходятся.
