К середине XVIII в. древняя Борисоглебская церковь сильно обветшала и по решению Священного Синода в 1784 г. была разобрана. Императрица Екатерина II выдала разрешение и выделила деньги на постройку нового храма.
9 июня 1785 года во время высочайшего проезда императрицы из Москвы в Санкт-Петербург через Торжок она заложила первые кирпичи в его основание. Для этого специально были изготовлены медные посеребренные молоточек и лопатка, которые потом хранились в соборе как реликвия. Собор строился в течение 11 лет. Руководил строительством новоторжский архитектор Франц Иванович Буци. 11 июня 1796 г. собор был торжественно освящен. Автором проекта нового Борисоглебского собора был уроженец Новоторжского уезда Н. А. Львов.
Борисоглебский собор – один из лучших образцов строгого классицизма, где Львов предстает перед нами как последователь Андреа Палладио, итальянского архитектора XVI в.
Проектируя Борисоглебский собор, Львов разработал тип церковного здания, который стал господствующим на следующем этапе развития классицизма. Применив в соборе схему крестово-купольного храма, Львов при этом смог добиться почти идеальной внешней кубовидности, создав композицию с практически равными фасадами: длина и ширина наружных стен - 14 сажень и 2 аршина (около 30 м), высота от поверхности земли до основания главы – 12 сажень (около 25,5 м), высота главы с крестом – 7,5 аршин (около 5,4 м).
Храм увенчан пятью главами. Центральный восьмигранный купол покоится на неравностороннем барабане. Его большие грани прорезаны полуциркульными трехчастными («палладиевыми») окнами. Угловые купола - полусферические, с круглыми окнами, характерными для творчества Львова. Завершение всех глав тоже типично львовское – золоченый шар с ажурным крестом.
Храм гармонично вписывается в ансамбль монастыря. Удачно выбрано место – с разных сторон он воспринимается по-новому. Собор поставлен так, что мы можем обозревать сразу два фасада, создающие эффект монументальности. Западный и восточный фасады оформлены двухколонными портиками, а северный и южный - шестиколонными. Благодаря такой планировке собор величественно смотрится со стороны города.
Интерьер собора отличался строгой выдержанностью стиля, исключительно красивой отделкой. Алтарь был сооружен внутри собора в форме ротонды.
37 икон для соборного иконостаса были написаны знаменитым русским художником XVIII в. Владимиром Боровиковским. Надо заметить, что тогда это был малоизвестный живописец, которому покровительствовал Львов. К сожалению, до наших дней дошло только одно творение кисти Боровиковского из иконостаса Борисоглебского собора – икона « Притча о мудрых и неразумных девах», которая хранится в Тверской картинной галерее.
В 1839-40 гг. в Борисоглебском соборе проводились ремонтные работы: чугунный пол в связи с сыростью разобрали, заменив его деревянным сосновым на каменных сводах. Стены и колонны в главном храме были оштукатурены под мрамор. По предписанию архиепископа Тверского и Кашинского соорудили новый, более грандиозный иконостас столярной работы резной с позолотой. Количество икон увеличилось, причем все они были написаны в манере Боровиковского.
Главный престол был освящен во имя святых благоверных князей Бориса и Глеба, правый придел - во имя преподобного Ефрема, а левый придел — во имя преподобного Аркадия, ученика Ефрема (с 1796 г. по 1841 г. - во имя св. Екатерины). Для мощей Ефрема Новоторжского в соборе были устроены гробницы.
В настоящее время внутри собора стоят старые строительные леса, роспись стен и купола почти полностью утрачена, собор нуждается в капитальном ремонте и реставрации. Остается надеяться, что в недалеком будущем творение нашего земляка приобретет первоначальный вид.