Существующий на сегодняшний день Троицкий собор является одним из храмов Николо-Троицкого монастыря. Первоначально храм был возведен на месте ранее выстроенной деревянной Троицкой церкви. В 1681 году были начаты строительные работы, которые были осуществлены на денежные средства одного из известных посадских людей, Семена Ершова. Окончание строительных работ произошло в 1689 году.
Церковное здание располагается на высоком подклете. В нижней части располагается Никольская церковь, а наверху находится холодный храм, освященный в честь Живоначальной Троицы. На протяжении 1790-1792 годов к Троицкому собору был пристроен большой Преображенский придел. В 1894 году было выложено каменное крыльцо для Троицкого собора.
Здание собора представляет собой трехапсидное, двухэтажное, прямоугольное и бесстолпное помещение, которое имеет завершение в виде пятиглавия. Также храму присуще трехчастное деление, это помещение храма, апсида и паперть.
Главный объем второго этажа имеет перекрытие в виде сомкнутого свода. Основной объем в плане представлен квадратным и оформлен лопатками. Стеновые плоскости имеют прорези, предназначенные для оконных проемов, которые красиво обрамлены наличниками, оснащёнными зубчатыми и килевидными завершениями. Полуциркульные декоративные кокошники, расположенные в верхней части стены, несколько опираются на сам карниз, представленный в виде небольшого ряда зубчиков и пары полуваликов. Храмовые апсиды расчленены полуколоннами и имеют несколько окон, оформленных декором.
С западной стороны притвора имеется три оконных проема, а также два простых окна и расположенный на втором этаже дверной проем. Стеновые панели по углам имеют обрамления и завершаются узорчатым карнизом.
На второй этаж храма с северной стороны ведёт небольшая лестница, крытая односкатной кровлей. Крылечные столбы оформлены при помощи многопрофильных ширинок и имеют перекрытия сферической кровлей.
Перекрытие основного объема оформлено металлической четырехскатной кровлей. Четыре барабана, расположенные по углам, и один, находящийся в центре, совершенно глухие. Украшение глав оформлено в виде декоративных полуколонок, которые перехвачены бусинами, а над ними проходит карниз из нескольких выступов. Храмовое здание полностью сложено из кирпича.
Троицкий собор является самым крупным среди всех церквей монастыря. Со стороны севера он несколько закрыт колокольней и настоятельским корпусом, а с остальных сторон его можно отлично рассмотреть. Собор стоит в центральной части монастырской территории. Троицкий собор представляет собой пятиглавую постройку, оснащенную притвором, колокольней и расположенным с южной стороны крыльцом, что составляет единое композиционные решение. Объемы южного и северного фасадов выполнены в одной плоскости, но имеют различные высоты, что делает силуэт ступенчатым. Наружные фасады побелены по кирпичу, а кованные из железа кровли выкрашены в коричневый цвет. Окна заполнены коваными фигурными решетками.
