Архитектурный облик постройки замышлялся в новом модном стиле, известном под условным названием «нарышкинского» барокко, русской версии одного из великих европейских стилей. Работы по строительству Трапезной церкви закончились в 1692 году ко дню 300-летия преставления Преподобного Сергия.
Тип храма с трапезной появился в России еще в XVI веке. Здание, расположенное на довольно крутом южном склоне, поставлено на подклет, благодаря чему оно значительно поднято над землей. В пропорциях Сергиевской церкви апсидам, выдвинутым на восток, отводилась большая, как ни в одном другом храме Троицкого ансамбля, роль. Их объём и мощная пластика активно выделяют алтарное пространство.
После пожара 1746 года над Трапезной была устроена железная кровля с уникальной системой стропил, сделанная механическим способом. Церковный портал с высоким фронтоном и резными колоннами, незначительно отстоящий от стены, первоначально был открытым. Широкие лестничные марши неспешно, с остановочными площадками в середине, подводят к двум разным по назначению частям здания, церкви и Трапезной палате с семью большими окнами. Над лестницей главного входа, перестроенной в 1734 году, раскинулся обширный шатер открытых сеней.
Характерной чертой постройки является обилие наружного наряда. Стены почти исчезают в декоре из высоких гладкоствольных колонн и полуколонн, расставленных поочередно, попарно, пучками, малых витых колонок, обрамляющих окна и двери; фигурных наличников, карнизов, раковин. Динамика стиля «оживляет» стены, эффектно выводит на передний план многослойные рельефы резьбы и лепнины.
Настенная живопись и лепнина, украшающая трапезную церковь и трапезный зал, выполнены в 1778-1780 годах. Внутреннее пространство Сергиевского храма вытянуто с севера на юг и невелико по размерам. Вместо традиционных узких щелевидных окон свет в помещение поступает из больших оконных проемов.
До начала 2000-х годов трапезный храм являлся главным храмом монастырских богослужений.
В 2012-2015 годах в Трапезном храме проведены масштабные работы по устройству покрытия гульбища из чугуна, реставрации фасадов южного подклета, стен и сводов в интерьерах южного подклета, усилениею фундаментов северного гульбища, реставрации помещений северного подклета, устройству теплого пола Малой Братской Трапезной, реставрации и воссоздание живописи в алтаре, устройству теплого пола Северной галереи и вентиляции, реставрации пристенных киотов и архитектурно-лепного декора.
