Главный престол Николо-Пенской церкви посвящён Николаю Чудотворцу. Храм одноглавый, с трапезной и с колокольней над
входом с западной стороны. Трапезная и основной храм одинаковы по ширине (12,3м) и изнутри воспринимаются как
единый нерасчлененный объем. Наружная отделка Николо-Пенской церкви скромна. Все окна имеют одинаковые по форме наличники в виде прямоугольных рам с двумя
кокошниками. Существующий двухъярусный иконостас классических форм выполнен в 1840 году резчиком из
Больших Солей В.Я.Трубниковым.
В послереволюционное время Фёдоровская, а затем Николо-Пенская церковь заняла особое место не только среди закоторосльных, но и всех храмов города. Утверждение её в статусе кафедрального собора отражает ту непростую и
драматичную ситуацию, которая сложилась в Ярославской епархии в конце 1920-х - начале 1930-х годов. В этот период, когда внутри Русской Православной Церкви не было единства, Ярославль оказался одним из главных центров внутрицерковной
полемики об отношении к Советской власти.
С 1929 года, когда большевистская партия начала вести жесткую планомерную борьбу с Русской Православной Церковью, были разорены и один за другим закрыты многие ярославские храмы. Приходские общины упраздняемых ближних, а
затем уже и дальних церквей объединялись и переводились в какой-нибудь один храм. Для закоторосльной, а впоследствии и для всей центральной части города, таким местом стали храмы Фёдоровского прихода. Так, в 1931 году городские
власти расторгли договор с общиной церкви Иоанна Предтечи и для совершения богослужений ей предоставили верхнюю Никольскую часовню при тёплом храме, которая ещё ранее была преобразована в церковь. Тогда в неё поставили престол,
бронзовый иконостас, снабдили весьма скудным набором утвари и облачений. Как вспоминал архимандрит Авель (Македонов), этот иконостас ранее принадлежал церкви Алексея Митрополита при губернаторском доме. Этот прекрасный памятник
тонкой художественной работы начала XX века и ныне стоит в верхнем Никольском храме.
Фёдоровская церковь в 1933 году официально стала кафедральной, но уже вскоре была закрыта и использовалась преимущественно как складское помещение, на её галерее сначала было устроено жилье, а с 1979 года располагалась
лепная мастерская ЯСНРПМ. В свою очередь, скромная по меркам богатого замечательными архитектурными памятниками дореволюционного Ярославля приходская Никольская тёплая церковь волей судьбы заняла особое место в городе,
став кафедральным собором епархии.
Интерьер Николо-Пенского храма. 1910-е годы.