Дата створення: 1422
Матеріал, техніка: білий камінь
Собор споруджено в 1422 р. над труною Сергія Радонезького на місці дерев'яного собору 1412 р., присвяченого Трійці (будівництво здійснювалося на кошти Московського вів. Кн. Василя I і Звенигородського кн. Юрія Дмитровича). У XV-XVI ст. тут хрестили спадкоємців московського престолу, скріплювали договори цілуванням хреста біля труни Сергія. Як і собор Успіння "на Городку" у Звенигороді, це чотиристовпний, хрестовокупольний храм, що стоїть на подклете і зведений з білого каменю. Але декор відповідно до загального виглядом будівлі став суворіше: залишилася тільки потрійна стрічка різьбленого орнаменту, що оперізує стіни, апсиди і барабан. Стіни членуються тут лише плоскими лопатками, на які спираються кілевідние арки закомар.
Всі форми храму дуже прості й компактні апсиди майже не виступають за межі основного куба і підняті на одну висоту, до самого його верху; кілевідние кокошники, так звані діагональні закомари, ледь піднімаються над закомарами фасадів (кокошники біля постаменту барабана розібрані в 1510г.); гладкі стіни мають досить значний нахил усередину, чому відповідає звуження догори барабана купола. Внутрішня конструкція будинку не відповідає розчленовуванням його фасадів. Невеликий за розмірами храм-мавзолей всередині досить просторий: його стовпи сильно зрушені на схід, і вівтарна частина дуже невелика, що пов'язано, ймовірно, з прагненням збільшити місткість храму. Але цей зсув несприятливо позначилося на зовнішньому вигляді будівлі, кілька порушивши його центричність і рівновагу мас: голова зміщена на схід, західні діагональні закомари відірвалися від неї, південний і північний портали також розташовані не в центрі, а ближче до апсиди. Заради відновлення симетрії і довелося зберегти рівномірний тричастинне членування фасадів лопатками, не виявляє внутрішнього планування.
Усередині площині стін, позбавлені будь-яких декоративних елементів, виробляють ще більш строге враження, ніж зовнішні стіни фасадів. З боку західного фасаду в XVI ст. до собору прибудували паперть, а з південно-східної 1548 над труною ігумена Никона Никонівський боковий вівтар (1623 р. перебудований). Близько 1425-1427 рр.. собор був розписаний Андрієм Рубльовим і Данилом Чорним з помічниками. У 1635 р. їх фрески через погану схоронності були збиті і замінені новими, виконаними місцевими іконописцями, але зі збереженням старої системи розпису. Надалі стінопис неодноразово поновлялись. В даний час стіни собору (в їх верхній частині) прикрашають фрески 1635 р., розкриті в процесі реставраційних робіт 1949-1954 рр.. (У нижній частині стін розпис не збереглася і була відновлена заново в стилі XVII ст.). Первісна орнаментальний розпис, що належить Андрію Рубльова, збереглася лише на схилах двері в дияконника.
Одночасно з Троїцьким собором у 1635 р. був розписаний і Никонівський боковий вівтар, але живопис цього часу збереглася тільки в його середній закомар'я над апсидою (композиція "Богоматір з немовлям і святителями") і в простінках барабана купола (фрагментарно). Андрієм Рубльовим і Данилом Чорним з артіллю був виконаний бл. 1425-1427 рр.. та іконостас (за винятком прабатьківської ярусу, створеного в 1600 р. по велінню Бориса Годунова). Крім того, Андрій Рубльов кількома роками раніше написав для Троїцького собору ікону "Трійця", що входила до складу місцевого ряду іконостасу (з 1929 р. зберігається в Третьяковській галереї, а на її місці знаходиться копія). До місцевого ряд входить і інша глибоко шанована ікона "Сергій з житієм" (кінець XV ст.), Що належить школі Діонісія. У соборі варто срібну раку над труною Сергія Радонезького (виконана майстрами Збройової палати в Москві в кінці XVI ст. За велінням Івана Грозного) прекрасний зразок російської чеканки (пішла в монастир після смерті Грозного в 1585г. Як внесок царя Феодора і цариці Ірини). Срібна покров внесок імператриці Анни Іоанівни виготовлена в Москві в майстерні Давида Пріфа і встановлена в 1737 р.