Церковное здание построено по проекту архитекторов В. П. Морозова, М. Ю. Грачева и Г. В. Мазаевав в 2003 году на месте снесенного дома Ипатьева, где в ночь на 17 июля 1918 года была расстреляна царская семья Романовых.
Архитектура пятикупольного храма выдержана в русско-византийском стиле, в его комплекс входят нижний храм (памяти Романовых, цокольный уровень) и верхний храм (златоглавый собор). Высота сооружения — 60 метров, общая площадь — 3000 кв. метров.
На нижнем уровне располагаются также расстрельная комната и музей памяти Романовых, зрительский зал на 160 мест.

Фасады отделаны красным и бордовым гранитом — цвета пролитой крови. Возле храма установлен памятник Романовым.