В основе плана сооружения лежит крестово-купольная композиция, известная по многим образцам христианской архитектуры: четыре массивных столпа сложной конфигурации с перекинутыми между ними арками несут на себе световой барабан и купол. Внутри храма доминирует грандиозное подкупольное пространство, но приставленные к столбам пилоны придают некоторую обособленность приделам.
При строгой классической ясности объемного решения и лаконичности декоративного убранства фасада собор отличался великолепием и роскошью интерьеров, богатством внутренней отделки и церковной утвари.
Главный иконостас решен в виде триумфальной арки, северный и южный приделы — в виде ротонд с полусферическими куполами. В оформлении интерьера были использованы многие элементы архитектурной декорации, которые употреблялись в то время. Колонны ионического ордера с облицовкой из искусственного мрамора придавали собору торжественный вид. Капители колонн и карнизы украшены пышной лепниной с иониками. Иконостасы и киоты, в которых сочетались белый фон и резные позолоченные накладки, а также напрестольные сени в виде ротонд дополняли великолепное убранство храма. Вся богослужебная утварь — высокой художественной работы, серебряная, позолоченная, украшенная эмалью, престол и жертвенники покрыты парчой. Пол выложен желтым мрамором, каждый придел — своим узором.
Главная святыня собора — частица мощей святого благоверного князя Даниила Московского. Предстоятель Автокефальной православной церкви в Америке блаженнейший Феодосий, архиепископ Вашингтонский и Нью-Йоркский, Митрополит всей Америки и Канады, 30 мая 1986 передал в Данилов монастырь частицы мощей святого благоверного князя Даниила, считавшихся после 1930 утраченными.
Эти частицы, принадлежавшие ранее архиепископу Феодору (Поздеевскому), были сохранены его духовными чадами и впоследствии оказались в Америке.
Святые мощи хранятся в специально изготовленном ковчеге, помещенном под иконой святого благоверного князя около левого центрального столпа собора.
«Неоскудевающим сокровищем благодати» называют в православии мощи святых угодников Божиих. С момента возрождения Данилова обитель стала огромным драгоценным «ковчегом», в котором почивают эти бесценные святыни. Первым жертвователем мощей в восстановленный монастырь был Святейший Патриарх Пимен, передавший панагию с частицами мощей особо чтимых святых, в том числе преподобного Пимена Великого.
Мощевики, предназначенные для надежного хранения частиц святых мощей и удобного перенесения их из ризницы в храм для всеобщего поклонения, изготавливались, как правило, из вызолоченного серебра и нередко представляли собой замечательные образцы ювелирного искусства. Поступившие в Данилов монастырь после его возобновления мощевики имеют разное происхождение и оформление. По православной традиции они заключают в себе не только мощи угодников Божиих, но и частицы Палестинских святынь, связанных с Иисусом Христом и Пресвятой Богородицей.
С происхождением иконографического извода иконы «Троеручица» связано несколько церковных преданий. Одно из них восходит к житию преподобного Иоанна Дамаскина (VIII век), где повествуется о чудесном приращении отсеченной руки святого по его молитвам у иконы Божией Матери. В память этого благодатного события преподобный Иоанн сделал из серебра изображение руки и приложил его к иконе своей Заступницы.
Второе предание основано на Афонском сказании о том, как один живописец Хиландарского монастыря, желая написать икону Божией Матери «Одигитрия», очертил изображение мелом на доске. Он вышел из кельи, а вернувшись, увидел на рисунке очертание третьей руки. Думая, что это насмешки братии, иконописец стер рисунок, однако ночью он появился вновь. Трижды стирал инок изображение, пока не услышал глас: «Не дерзай стирать третьей руки, на то есть Моя воля». Повинуясь велению свыше, иконописец написал образ Божией Матери «Троеручица», который вскоре прославился чудесами. В России эта икона очень почитается и распространена во множестве списков.