Занимая центральное место в архитектурном комплексе Ниловой пустыни, своими архитектурными формами и размерами грандиозный Богоявленский собор определяет общий стиль всех построек Нило-Столобенского монастыря. В 1821 году, на месте старого собора 1671 года постройки, по благословению архиепископа Тверского Симеона был заложен каменный храм с тремя престолами. Собор строился на благотворительные пожертвования Царского дома, Осташковского купечества, многочисленных паломников и др. Разработку проекта будущего собора в стиле позднего классицизма было поручено выдающемуся петербургскому архитектору Иосифу Шарлеманю. Проект был подготовлен для конкурса по строительству Исаакиевского собора в Петербурге. План Богоявленского собора Ниловой пустыни, подписанный Шарлеманем, ныне хранится в Российской Национальной библиотеке в Санкт-Петербурге.
Согласно архивным данным, подготовка к строительству шла на протяжении нескольких лет; предлагались также проекты по реконструкции старого собора. Строительство собора велось под надзором архитектора Анжело Ботани, уроженца Лозанны, и епархиальных зодчих из губернского города Твери. Настоятель и попечительский совет монастыря очень тщательно изучали все предложенные проекты, выбирали рабочих и сами закупали стройматериалы. Собор был освящён 10 сентября 1833 года Тверским архиепископом Григорием.
Храм построен на фундаменте из шлифованного гранита, цоколь также гранитный. В строительных работах принимали участие мастера из Осташкова, Подольска, Владимирской губернии. Все кузнечные работы и резьба по дереву были выполнены осташами, золочение - московским мастером, печи - мастером из Можайска, отапливаемый пол, покрытый чугунными плитами, изготовили мастера из Мышкина. По своей пышности храм превосходил многие подобные позднеклассические сооружения столичной архитектуры. Собор увенчан пятью куполами. Есть и шестой, над алтарём, но он появился в 1850-е годы. Фасады украшены мощными шестиколонными портиками тосканского ордера. На центральном световом барабане - полуколонки с ионическими капителями. Четыре других барабана гораздо ниже и расставлены по углам центрального четверика собора. Чеканные прорезные серебряные Царские врата (не сохр.) главного иконостаса весили 10 пудов и создавались по эскизам осташковского живописца Якова Колокольникова-Воронина.
Внутреннее пространство собора огромно. Прежде все стены, столбы и пилястры были отделаны под искусственный разноцветный мрамор. Интерьеры, внутренний и внешний декор были выполнены в 1833 году тверским губернским архитектором - Иваном Фёдоровичем Львовым. Роспись выполнялась в технике гризайль. Серебряный позолоченный престол алтаря весил 3 пуда. Пространство храма освещалось бронзовым позолоченным паникадилом в 120 свечей, украшенным искуссно вылитыми барельефами с изображением Святой Троицы, двунадесятых праздников, ангелов, пророков и апостолов. На всех стенах висели вкладные иконы в серебряных позолоченных киотах и ризах, с такими же богато украшенными лампадами. Почётное место в храме занимала серебряная рака с мощами преподобного Нила Столобенского. До 1928 года в этой раке и находились мощи прп. Нила. 25 февраля 1919 года они были вскрыты, а позже, в 1928 году, после закрытия монастыря были перенесены в Вознесенский собор Осташкова, позже их перенесли в собор Осташковского Знаменского монастыря. 9 июля 1995 года святые мощи были возвращены в обитель, в отреставрированный к тому времени Богоявленский собор.
Президент России В. В. Путин присутствовал на литургии в Богоявленском соборе по случаю праздника Крещения Господня 19 января 2018 года. У Богоявленского собора три престола: центральный - в честь Богоявления Господня, правый - в честь Благовещения Пресвятой Богородицы, левый - в честь свт. Николая Чудотворца. С запада к храму пристроена четырёхъярусная колокольня с великолепными башенными часами и открытой в настоящее время для посетителей смотровой площадкой, с которой, с 36 метровой высоты, можно полюбоваться незабываемыми видами на монастырские храмы и строения, бескрайние дали Селигерского края.
Из путеводителя Н. М. Бодрова "Нилова пустынь". Изд-во: И. П. Верхов С. И. , 2017 г.