Собор зведений у княжу добу – усипальниця князів роду Давидовичів. Собор присвячений двом першим давньоруським святим братам – Борису і Глібу. Храм є характерним зразком чернігівської архітектурної школи ХІІ ст.
За типом Борисоглібський собор – хрестово-купольний, одноверхий, шестистовпний, триапсидний храм, увінчаний однією банею, загальна висота якого 25 метрів. Фасади прикрашено півколонами, які йдуть від самого низу до карнизів. Нині капітелі на півколонах фасадів відновлено з оргскла за зразком первинних, а фрагменти оригіналів експонуються у приміщенні музею, який знаходиться в соборі.
Дослідженнями встановлено, що собор побудований на місці більш давньої споруди ХІ сторіччя, від якої виявлено залишки нижньої частини стін та фундаменти. Існує припущення, що це залишки двокамерного князівського терему або ж більш давнього храму.
Після того, як розібрали старі цегляні споруди, тут почало утворюватися провалля. Під час розкопок на Соборній площі вдалося знайти старовинну підземну споруду. Це було велике кругле цегляне приміщення, що складалося з чотирьох укріплених цеглою галерей, які відходили в різні боки від головної камери. Одна з них ішла у напрямку до Спаського собору, інші – в бік схилів пагорба. Під час обстеження зафіксували монети та кахлі початку XVIII ст., це в свою чергу, дало змогу зробити висновок, що підземні споруди було зведено наприкінці XVII – початку XVIII століть.
За час свого існування Борисоглібський собор неодноразово зазнав пошкоджень і перебудов, і кожного разу його архітектура набувала нових рис. Пам’ятка зазнала значних руйнувань у період Другої світової війни.
Новим етапом життя став період після війни, коли його було відновлено у первісному вигляді за проектом відомого архітектора Миколи Холостенка.
Фрескові композиції собору, які вкривали стіни і склепіння, та портали входів до наших днів майже не збереглися. Лише всередині на відкосі вікна північної стіни над порталом ледве проглядається геометричний орнамент, котрий зберігся з ХІІ ст. Собор будувався як храм-усипальниця, тому в північній і південній стінах храму зроблені глибокі ніші-аркасолії для гробниць. Є припущення, що поховання робили також під підлогою та у галереях-прибудовах, які, на жаль, не збереглися до нашого часу (їх залишки виведено на поверхні ґрунту).
Інтер'єр прикрашає фресковий розпис з рельєфними орнаментами так званого «звіриного стилю», де рослинні орнаменти поєднуються в казкове мереживо з фантастичними птахами, звірями-грифонами, що є характерним саме для чернігівської архітектури ХІІ ст. Підлогу храму прикрашає інкрустована мозаїка шиферних плит та керамічна різнокольорова плитка.
З реставрацією собору пов'язана цікава історія про знахідку чернігівського Семаргла. У міста є герб давнього часу — це чернігівський орел. Але Семаргл став своєрідним неофіційним символом міста. Семаргл — це язичницький бог, згадка про нього є в «Повісті минулих літ»: коли князь Володимир перед хрещенням пробував реорганізувати язичництво, він створив пантеон, вибрав кількох богів, головним призначив Перуна «і Мокоша, і Трибога, і Семаргла». Як саме виглядав Семаргл було невідомо, допоки під час розкопок археологи не знайшли зображення, яке вони трактували саме як Семаргла. Воно зараз дуже популярне в Чернігові — його можна побачити на картах та візитках, сувенірах, плакатах...
Усередині Борисоглібський собор прикрашають срібні Царські ворота – головний елемент іконостасу, створений на кошти гетьмана Івана Мазепи. Розповідають, що їх виплавили зі срібного ідола, знайденого під час копання котловану під одну з дзвіниць Борисоглібського монастиря.
У Борисоглібському соборі похований церковний, політичний та культурний діяч XVII століття Лазар (Баранович) – професор і ректор з 1650 р. Києво-Могилянського колегіуму. З 1657 року – Чернігівський архієпископ, який видав збірку віршів, створив кантати і духовні пісні.
Нині собор входить до складу Національного архітектурно-історичного заповідника «Чернігів стародавній». В приміщенні храму постійно діє експозиція, що відображає історію цього церковного комплексу та дві постійні виставки: «Фреска чернігівських храмів», «Архітектура і ремесло Чернігова ХІ—ХІІІ ст.». До того ж, Борисоглібський собор – платформа для концертів духовної музики.
