У пересіченій глибокими балками місцевості, на домінуючому над округою пагорбі (т. зв. г. Фавор). Споруджений на відзнаку 100-річного ювілею скиту за проектом арх. Є. Єрмакова за будівельників обителі — схиігумена Іринарха (Дороговцева) до 1905 та ієромонахів Леоніда (Яроцького) 1905—06 і Софронія (Гаркуші) 1906. Монументальний розпис інтер'єра тривав ще в перші роки радянської влади. За відмову припинити роботу художники — ченці з Афону (Греція) прийняли мученицьку смерть від рук червоноармійців, які ввірвалися до храму на конях. 

Головний престол собору освятив в ім'я великомученика і цілителя Пантелеймона 1 червня 1914 митрополит Київський і Галицький Флавіан (Городецький).
Пантелеймон — святий, великомученик, народився в Нікомідії, вчився лікарському мистецтву у знаменитого лікаря Єфросина. Після смерті батька успадкував великий маєток, став допомагати нужденним, безоплатно лікував хворих. Діяв іменем Христа і поширював християнство. За наказом римського імператора Максиміана був підданий жорстоким тортурам, але залишався неушкодженим. Прийняв мученицьку смерть 305.
1930 собор було закрито і передано птахо-молочному радгоспу «Феофанія» Київського союзу робітників кооперації.
Під час Великої Вітчизняної війни богослужіння в храмі було відновлено. Деякий час тут містився спостережний пункт воюючих сторін, він піддавався неодноразовим артилерійським обстрілам. Після війни споруду передали АН УРСР, для потреб наукових підрозділів якої бічні нави й апсиду собору розчленували на поверхи, куди піднімалися по металевих сходах і галереях, влаштованих у центральному підбанному просторі. Храм втратив центральну баню і чотири декоративні верхи, півциркульні щипці середніх прясел стін, ряд завершень наріжних стовпів по периметру оббудови. 1990 у такому стані собор передано Українській православній церкві. На сьогоднішній день собор практично відновлено під керівництвом архімандрита Серафима (Дем'яніва); за знайденими кресленнями та схемами проект реконструкції на незнайдені частини виконав арх. Я. Діхтяр. 30 серпня 1998 митрополит Київський та всієї України УПЦ Володимир (Сободан) освятив головний престол, 9 червня 2002 — правий престол в ім'я преподобного Серафима Саровського. В галереї собору — престол в ім'я Володимирської ікони Божої Матері, орієнтований на північ.
Розміри: довж. — 30 м, шир. — 22 м, вис. до верхнього карниза — 22 м.

Храм цегляний, з фасадами під розшивку швів до карниза. Стіни бань, колони, арки і всі склепіння — залізобетонні. У плані прямокутний, чотиристовпний, хрещатий, однобанний, з чо-тирма декоративними банями, з прямокутною (зі скошеними наріжжями) і дещо пониженою відносно основного об'єму апсидою та ще нижчими дияконником і ризницею. З півночі, заходу і півдня споруду охоплює одноповерховий об'єм галереї, перекритий односхилим залізним дахом.
В основу архітектури собору покладено форми московсько-ярославського будівництва 17 ст., частково інтерпретовані в дусі мистецьких прагнень модерну поч. 20 ст. Перше виявилось у точному повторенні традиційних деталей (кіоти в щипцях входів, кокошники, колонні облямування віконних прорізів, тощо) і насиченості ними фасадів, у пишній пластиці; друге — в чіткій симетрії загальної будови, площинності окремих частин (підбанник), модерністських формах центральних вікон, оригінальному силуетному вирішенні, яке формує головна баня ци-булястої форми, чотири декоративні баньки з наметовими завершеннями і шпилеподібні завершення стін оббудови.
Композиція собору суворо симетрична, ґрунтується на контрастному зіставленні монументального, спрямованого вгору центрального об'єму та його низької одноповерхової оббудови. Лейтмотив наростання мас вгору винятково вдало виявлений в апсидній частині, пишно увінчаній поясом килеподібних кокошників. Вертикальність у тектоніці фасадів досягається членуванням їх величними, оформленими ширинками, гранчастими пілястрами на три вузькі вертикальні прясла (з ширшим середнім). їх осі виявлено великими, на всю висоту стіни, потрійними вікнами в перспективних півциркульних нішах з розвинутими архівольтами. Ніші розчленовано вертикальними гуртами, які ніби продовжують імпости вікон і переходять у круглі медальйони з цегляними хрестами в центрах півциркульних щипців. У бічних пряслах — два яруси вікон, пишно облямованих висячими колонками. Загостреність загального силуету простежується і в архітектурі оббудови, наріжжя якої, як і ризаліти входів, закріплено гранчастими стовпами, що переходять на рівні даху в гострі наметові завершення. Разом з аналогічно завершеними декоративними баньками і цибулястою головною банею формують оригінальну композицію.
Розвиток споруди в висоту особливо вражає в інтер'єрі, де панує залитий світлом центральний підбанний простір. Настінний живопис часу зведення собору зберігся в парусах («Євангелісти») і центральній бані (нетрадиційна асиметрична композиція — постать Ісуса Христа в оточенні ангелів). Підлога дубова паркетна.
У храмі сучасний триярусний червоно-золотий іконостас заввишки 14 м, образи якого виконали представники художньої майстерні імені святителя Петра Московського (Москва).
Архітектура собору відбиває новий етап у розвитку церковного будування на рубежі двох стилів — історизму та модерну.
У правому бічному вівтарі встановлено раку з мощами святих: великомученика і цілителя Пантелеймона, святителів Миколи чудотворця та Феодосія Чернігівського, священномученика Володимира (Богоявленського) — митрополита Київського і Галицького, преподобних Серафима Саровського, Феодора — князя Острозького, Агапіта Лікаря, Тита воїна, Арсенія Працелюбного, схимників Сисоя, Силуана та Іларіона, Нестора Некнижного, Ахипи диякона, Феодора Мовчазного, Йосипа Багатостраждального та Паїсія.
Престольні свята: 27 липня — великомученика Пантелеймона; 15 січня, 1 серпня — преподобного Серафима Саровського; 21 травня, 23 червня і 26 серпня — Володимирської ікони Божої Матері.
Тепер — головний храм монастиря [1788].

• Діхтяр Я.
,
• Дороговцев
,
• Єрмаков Є.
,
• Єфросин
,
• Софроній (Гаркуша)
,
• Яроцький