Самым величественным строением Новоафонской обители и самым большим храмом всего монастырского комплекса является собор Святого великомученика и целителя Пантелеимона.

Он был воздвигнут в 1888-1900 годах по проекту Н. Н. Никонова при участии настоятеля монастыря игумена Иерона. Всю каменную работу выполнили умельцы-греки во главе с Христофором Пуло, переселившиеся в Сухум из Трабзона. Проектируя Новоафонский монастырь, Никонов использовал в его композиции формы неовизантийского стиля, применявшиеся в церковном зодчестве Российской империи конца XIX – начала XX века.

Торжественная закладка первого камня в фундамент собора состоялась 24 сентября 1888 года при непосредственном участии императора Александра III. Храм возводился двенадцать лет и был освящен 29 сентября 1900 года. На службе одновременно могли присутствовать более трех тысяч человек.

Архитектурные и стилистические особенности соборного храма
Существенным нововведением архитектора, редко встречающимся в сооружениях византийского стиля, стало расположение четырех боковых глав: они были установлены по осям пространственного креста, что сближало облик храма с традициями греческого зодчества. Архитектор не оставил без внимания и некоторые бытовые аспекты, способствовавшие облегчению монастырской жизни: увеличил пространство интерьера за счет создания хоров, расширил объем центральной апсиды, предусмотрел боковые входы в жертвенник и дьяконник.

Храм окружают двухэтажные корпуса с куполами домовых храмов и 50-метровой колокольней над входом в монастырь. Собор был построен в центре просторного двора внутри четырехугольника, его четыре придела посвящены святителю Николаю, святому князю Александру Невскому, святой Марии Магдалине и великомученику Георгию Победоносцу.

В главном алтаре на престоле размещалась модель собора, а за престолом – кипарисовый, обложенный серебром крест. У правого клироса под резной сенью находилась большая в драгоценной ризе храмовая икона великомученика Пантелеимона, переданная из Старого Афона в 1876 году в благословение новой обители. Перед иконой располагалась серебряная гробница с частицей Древа Животворящего Креста Господня, мощей великомученика Пантелеимона и других святых. В правом приделе святителя Николая была установлена икона Спасителя.

Богатая роспись интерьера создана в 1911-1914 годах при настоятеле архимандрите Иларионе. Работы выполняли мастера из села Палех Владимирской губернии и группа московских художников под руководством Н. В. Молова и А. В. Серебрякова. В центральном приделе на апсиде находится изображение Божией Матери, благословляющей всех молящихся в храме. На западной стене над главным входом в собор изображена сцена Страшного суда. Справа и слева по периметру собора расположены сюжеты, отражающие все основные православные праздники.

Фрески отличаются сочетанием голубых, коричневых и золотистых тонов.