В центральной части монастыря высится громада собора, освященного в 1866 году в честь Боголюбской иконы Божией Матери. Торжественная закладка этого храма состоялась в 1855 году – ровно через 700 лет с того дня, когда князю Андрею Боголюбскому явилась Пресвятая Богородица. Этот огромный пятиглавый собор строился по проекту знаменитого архитектора Константина Андреевича Тона, основоположника и крупнейшего представителя эклектического «русско-византийского стиля», автора проектов храма Христа Спасителя и Большого Кремлёвского дворца в Москве (как полагают некоторые современные специалисты, боголюбовский храм – это его удачная «подработка», где он повторно использовал свои же чертежи московского храма Христа Спасителя – отсюда и размах, и масштаб, и качество решений).
Собор представляет собой пятиглавую одночастную восьмистолпную постройку с двумя приделами: правый – в честь святого Симеона Богоприимца и Анны Пророчицы (освящен в 1866 году); левый – во имя святых апостолов Петра и Павла (освящен в 1867 году).
Собор занимает главенствующее положение среди построек монастыря благодаря своей масштабности. Вход в собор осуществляется с трех фасадов через паперти, сделанные в виде крыле́ц и поднятые на ступени.
Собор был построен отапливаемым: в цокольном помещении были сделаны специальные печи и устроена система воздушного отопления. Эта инженерная система была настолько совершенной, что спустя более чем 100 лет (в начале 90-х годов XX века, когда выполнялась реставрация собора в возрожденном монастыре) было признано, что современными средствами и технологиями превзойти её эффективность за разумные денежные средства не представляется возможным.
В 70-х годах XIX века храм был расписан внутри масляной живописью в классическом академическом стиле. Роспись производил потомственный иконописец, крестьянин села Боголюбово Иван Иванович Шорохов с братьями П. и С. Шороховыми. В 1907-08 годах А.И. Шороховым была обновлена и дополнена настенная роспись собора. Тогда же в главном приделе им был сделан новый резной иконостас с колоннами, вызолоченный червонным золотом.
Реставрация масляной живописи Боголюбского собора выполнялась в 1998-2005 годах. В 1998-99 годах в главном храме обители был выложен полированным гранитом пол, сделаны белоснежные мраморные солея́ (возвышение пола перед алтарной преградой или иконостасом), алтарный пол и престол, жертвенник, горнее место (место в алтаре между престолом и восточной стеной). Гранитом выложены ступени и входы двух притворов собора. Повешены паникадила: центральное весом около 2 тонн и девять малых боковых. В 2002 году в соборе был установлен новый трёхъярусный резной позолоченный иконостас. Тогда же проведено паровое отопление. Купола всех монастырских храмов были окрашены в голубой Богородичный цвет, а на Боголюбском соборе перекрыты заново, и на них установлены кресты, позолоченные сёстрами в монастырской золотильной мастерской.
У правой колонны собора помещена одна из копий Боголюбской иконы Божией матери, написанная в конце ХIХ века.
Боголюбская икона Божьей Матери является одним из величайших сокровищ, настоящей жемчужиной культуры древней Руси домонгольского периода. Это чудотворная икона Русской православной церкви, одна из особо почитаемых на Руси икон и одна из немногих икон, сохранившихся в подлиннике от своего создания до нашего времени.
Икону заказал написать князь Андрей Боголюбский в середине XII века, вдохновлённый явлением ему Богоматери, когда он молился в походном шатре на пути из Владимира в Ростов. На месте явления Богоматери, в 10 км от Владимира, князь распорядился построить свой дворец-замок, получивший название Боголюбый (позднее – Боголюбово), и церковь Рождества Богородицы, в которую и была помещена написанная икона, названная Боголюбской.
Эта икона – одна из древнейших писанных на Руси, и, вероятно, первая созданная на владимиро-суздальской земле. До того времени все иконы к нам привозились из Византии. Пречистая Дева изображена такой, какой она явилась князю Андрею в ночном видении – стоящей, одной, без Божественного младенца, ликом, обращённым к Господу Иисусу Христу, с молитвенным жестом рук. Такое изображение Богородицы относят к иконографическому типу Агиосорити́ссы (Заступницы), распространённому в Византии в ХI-ХII веках.
Над образом Богородицы помещены клейма пяти икон, сопутствовавших князю Андрею в путешествиях.
Создателем иконы был или греческий иконописец или русский мастер, хорошо знакомый с современным ему греческим искусством. Празднование Боголюбской иконе было установлено 18 июня (1 июля по новому стилю).
