Сооружение собора для болгарских беженцев в их главном поселении имело большое политическое значение. Оно символизировало покровительство, которое оказывала Россия братскому славянскому народу. Строительство велось, как свидетельствует памятная доска у входа в собор, в память выхода болгар «из турецкого владения под Российскую державу». Этим и объясняются громадные размеры здания, необычные для небольшого городка, каким был в то время Бол-град (население в 1821  году составляло 2 тысячи).

Проект этой постройки  не сохранился, и не обнаружены документы, подтверждающие авторство Мельникова. Впервые такое предположение высказал исследователь Б. Я. Мовчан. О правоте его суждения свидетельствует совокупность особенностей архитектуры здания: излюбленная форма плана (крест), совпадение силуэта белградского собора с силуэтом одного из мельниковских вариантов проекта Исаакиевского собора (если убрать угловые звонницы). Система перекрытий аналогична перекрытиям Никольской церкви. Даже несколько необычное решение многоглавия (трехглавие), что дает только одну ось симметрии, также говорит в пользу авторства Мельникова, который стремился, по возможности, оригинально разрабатывать эту часть композиции. Особо нужно отметить, что звонницы не выходят за силуэт основного объема и барабана. Для Мельникова характерно стремление к целостности силуэта культовых зданий с доминирующим главным куполом.