Η Χρυσοκέφαλος θεωρείται η σημαντικότερη από τις εκκλησίες της Τραπεζούντας, ένα από τα πλουσιότερα μοναστήρια της Αυτοκρατορίας, καθώς και ο καθεδρικός ναός της πόλης ήδη από το 914 μ.Χ. Επί των Μεγάλων Κομνηνών λειτούργησε ως μητροπολιτικός, στέψης και ταφικός ναός. Η εκκλησία ξαναχτίστηκε ως αυτοκρατορική βασιλική το 1235 και ανακατασκευάστηκε εκ νέου το 1351 μ.Χ. Μετά το 1461 μ.Χ., έγινε το κύριο τζαμί της πόλης από τον Σουλτάνο Μεχμέτ, με το όνομα Ορταχισάρ τζαμί, το οποίο διατηρείται μέχρι σήμερα.
Δύο διαφορετικές φάσεις ανοικοδόμησής της αναφέρονται στις πηγές, με την πρώτη να είναι μια απλή τρίκλιτη βασιλική, ενώ η δεύτερη, που χρονολογείται στον 13ο αιώνα, πρέπει να ήταν πιο περίτεχνη. Το αρχιτεκτονικό της σχέδιο θεωρείται ασυνήθιστο και, παρότι διατηρεί τον χαρακτήρα της βασιλικής, απαρτίζεται επίσης από έναν τρούλο καθώς και εγκάρσια ανοίγματα από το δάπεδο έως το θησαυροφυλάκιο που εκτείνονται βόρεια και νότια προς τους εξωτερικούς τοίχους. Ο σηκός και τα κλίτη είναι καμαροσκεπή με νευρώσεις, και πάνω τους έχουν στοές. Τα στοά κλίτη δεν είναι κοινό στοιχείο για τις βασιλικές και αρχικά η Χρυσοκέφαλος πιθανότατα ήταν μια βασιλική με αρμενικά διακοσμητικά στοιχεία. Η πρόθεση και το διακονικό τοποθετήθηκαν στους ανατολικούς κόλπους του βόρειου και του νότιου κλίτους, αντίστοιχα, με οικιακούς κόλπους από πάνω τους.
Το τύμπανο του τρούλου είναι δωδεκάπλευρο. Ξύλινες σανίδες κρύβουν το διακοσμημένο πάτωμα opus sectile, ενώ ο γύψος καλύπτει τις βυζαντινές τοιχογραφίες του ναού. Επιπλέον, το ψηφιδωτό της αψίδας πιθανότατα αναπαριστούσε την Παναγία, ενώ τα μαρμάρινα πλαίσια της κεντρικής αψίδας παραμένουν ακόμα ορατά. Ο εξωνάρθηκας θεωρείται άλλο ένα μοναδικό χαρακτηριστικό της τοπικής αρχιτεκτονικής. Ο νάρθηκας, από την άλλη, φαίνεται να μην ανήκε στο αρχικό αρχιτεκτονικό σχέδιο, ενώ η προσθήκη του βόρειου προπύλου θεωρείται σπάνια για ναό με τόσο ισχυρό άξονα Ανατολής-Δύσης. Η χρονολόγηση κάθε τμήματος καθίσταται εξαιρετικά δύσκολη και συμβατική, καθώς το μνημείο συνδυάζει άφθονες στυλιστικές λεπτομέρειες που μπορούν να χρονολογηθούν μόνο ξεχωριστά.
