Троицкий собор строился восемь лет с 1776 года по 1784 год на пожертвования устюжан. Троицкий собор пятиглавый, с колокольней. Колокольня поставлена отдельно от собора, что обеспечило равновесие объемов. Она утверждена на четверике основания, на арках, соединяющих мощные четырехгранные столбы. Восьмерик звона увенчан приземистым шатром с двумя рядами слухов, причем верхние окна меньше нижних, это усиливает эффект перспективного сокращения, дающий представление о грандиозности сооружения.
Кубической формы собор обнесен с трех сторон двухэтажной галереей. Обычные пилястры, уступчатый карниз и закомары, вот и все украшение храма. Алтарный придел выгодно отличается от примитивной пристройки Архангельского собора, на правом прямоугольном этаже возведены трехлопастные волнообразные апсиды, обеспечивающие плавность перехода к основному объема храма. Устремленность сооружения ввысь подчеркивает удачно собранное пятиглавие на граненых барабанах, вырастающих из рядов кокошников. Окна собора обрамлены зелеными «муравлеными» изразцами. На галерее на уровне второго этажа расположен ширинчатый пояс. Эти же мотивы использованы для декорирования четверика колокольни.
Троицкий собор знаменит также своим пятиярусным резным иконостасом XVIII века, одним из лучших в русском декоративном искусстве. Иконостас выполнен тотемскими мастерами братьями Николаем и Тимофеем Богдановыми. Помимо тонкой резьбы колонн и картушей, иконостас украшен барельефными фигурами евангелистов и херувимов. Общее впечатление богатства иконостаса усиливается позолотой, выполненной артелью П.А. Лабзина в сложной технике двойника со сплошными цировками, фигурными оттисками по сырому левкасу.
По договоренности с администрацией музея с 1995 года в праздник Пресвятой Троицы проводится богослужение в храме.
