Картинная галерея расположена в здании Воскресенского собора (1772 - 1776). Он представляет собой двухэтажное здание, в плане овальной формы, с четырьмя полукруглыми приделами по сторонам и длинным, сильно вытянутым алтарем. Двухъярусные башенки-главки приделов окружают венчающий собор большой купол с овальными окнами и люкарнами, завершенный фонарем с главой.
В 1824 году в честь приезда в Вологду императора Александра I со стороны соборной площади к зданию был пристроен ампирных форм парадный вход-портик, с четырьмя колоннами и фронтоном.
На заднем плане возвышается колокольня Софийского собора.