В 1859–1860 гг. под руководством Н. А. Артлебена были проведены планировочные работы, сопровождавшиеся археологическими раскопками. Были обнаружены следы древней башни, примыкавшей к Покровской церкви. Из храма убрана толща культурного слоя, достигавшего середины высоты порталов. Были разобраны поздние пристройки. Вместе с Н. А. Артлебеном в храме работал академик живописи Ф. Солнцев. Им были выполнены копии с древних фресок, которыми храм был расписан в XII в.

Церковь Покрова на Нерли. Вид с юго-востока

В 1877 г. без ведома епархиального архитектора Николая Андреевича Артлебена местные духовные власти приступили к полной переделке здания: была сбита древняя роспись XII в. в куполе и барабане, часть наружной скульптуры заменили «безобразными подделками», как охарактеризовал их приехавший на место археолог Алексей Сергеевич Уваров.

В таком виде с незначительными искажениями церковь сохранялась до XX в.

Здание представляет собой четырехстолпный, трехапсидный, крестово-купольный, одноглавый храм, построенный из белого камня высочайшего качества. В сводах для их облегчения конструкции применен туфообразный известняк.

Здание поставлено на высокое основание – искусственный холм на фундаменте из восьми рядов гладкотесаного белого камня. Снаружи холм был облицован белокаменными плитами.

В основу объемно-планировочной структуры храма положена традиционная схема церквей крестово-купольного типа. План основного объема представляет собой квадрат размером 10,5×10,5 м с четырьмя внутренними столбами, имеет закомарное завершение. Четыре крестообразных в плане столба с подпружными арками поддерживают систему цилиндрических сводов, угловые компартименты также перекрыты сводами. В общей организации интерьера выделен пространственный крест с куполом над ним. Алтарные ячейки перекрыты конхами апсид. Основной объем завершается круглым в основании широким световым барабаном с главой луковичной формы и восьмиконечным крестом на подкрестном шаре.

На фасадах лопатки с полуколонками делят каждый фасад храма на три части и переходят в закомары. Многоступенчатая профилировка лопаток, перспективных порталов и оконных проемов создает впечатление пластичности здания. Аркатурный фриз расчленяет здание на два яруса и проходит по верху трех апсид, где часть колонок доходит до цоколя. В фигурных консолях фриза обильно применены женские маски и зооморфные мотивы. В настоящее время сохранилось девятнадцать таких рельефов, представляющих целую галерею скульптурных портретов.

Идейным и композиционным центром пластического убора трех (кроме восточного) фасадов является фигура царя Давида. Он изображен молодым псалмопевцем, восседающим на «троне», у основания которого расположены львы, а по сторонам птицы. На левом колене Давид держит Псалтырь. В боковых закомарах представлены грифоны, символизирующие горний мир, внимающий псалмопевцу Давиду.

План церкви Покрова на Нерли

Выше аркатурно-колончатого пояса, над отливом, начинаются новые профили – закомар и окон. На апсидах аркатурно-колончатый пояс с поребриком расположен сверху; некоторые колонки пояса заменены полуколоннами, спускающимися до цоколя, что создает цельную и вертикально-ориентированную картину декора апсид.

Перспективные порталы храма Покрова украшены лиственными капителями и резными полуциркульными архивольтами.

В интерьере основной объем отделяется от алтарной части белокаменной алтарной преградой темплонного типа, состоящей из граненых столбов, эпистильного бруса и двух мозаичных икон между колоннами в центральной части иконостаса.