Дата создания: 1422 г.

Материал, техника: белый камень

Собор сооружен в 1422 г. над гробом Сергия Радонежского на месте деревянного собора 1412 г., посвященного Троице (строительство осуществлялось на средства Московского вел. кн. Василия I и Звенигородского кн. Юрия Дмитриевича). В XV-XVI вв. здесь крестили наследников московского престола, скрепляли договоры целованием креста у гроба Сергия. Как и собор Успения "на Городке" в Звенигороде, это четырехстолпный, крестовокупольный храм, стоящий на подклете и возведенный из белого камня. Но декор в соответствии с общим обликом здания стал строже: осталась только тройная лента резного орнамента, опоясывающая стены, апсиды и барабан. Стены членятся здесь лишь плоскими лопатками, на которые опираются килевидные арки закомар.

Все формы храма очень просты и компактны апсиды почти не выступают за пределы основного куба и подняты на одну высоту, к самому его верху; килевидные кокошники, так называемые диагональные закомары, едва возвышаются над закомарами фасадов (кокошники у постамента барабана разобраны в 1510г.); гладкие стены имеют довольно значительный наклон внутрь, чему соответствует сужение кверху барабана купола. Внутренняя конструкция здания не отвечает членениям его фасадов. Небольшой по размерам храм-мавзолей внутри довольно просторен: его столпы сильно сдвинуты к востоку, и алтарная часть очень невелика, что связано, вероятно, со стремлением увеличить вместительность храма. Но этот сдвиг неблагоприятно сказался на внешнем облике здания, несколько нарушив его центричность и равновесие масс: глава смещена к востоку, западные диагональные закомары оторвались от нее, южный и северный порталы также расположены не в центре, а ближе к апсидам. Ради восстановления симметрии и пришлось сохранить равномерное трехчастное членение фасадов лопатками, не выявляющее внутренней планировки.

Внутри плоскости стен, лишенные всяких декоративных элементов, производят еще более строгое впечатление, чем наружные стены фасадов. Со стороны западного фасада в XVI в. к собору пристроили паперть, а с юго-восточной 1548 г. над гробом игумена Никона Никоновский придел (в 1623 г. перестроен). Около 1425-1427 гг. собор был расписан Андреем Рублевым и Даниилом Черным с помощниками. В 1635 г. их фрески ввиду плохой сохранности были сбиты и заменены новыми, исполненными местными иконописцами, но с сохранением старой системы росписи. В дальнейшем стенопись неоднократно поновлялась. В настоящее время стены собора (в их верхней части) украшают фрески 1635 г., раскрытые в процессе реставрационных работ 1949-1954 гг. (в нижней части стен роспись не сохранилась и была восстановлена заново в стиле XVII в.). Первоначальная орнаментальная роспись, принадлежащая Андрею Рублеву, сохранилась лишь на откосах двери в дьяконнике.

Одновременно с Троицким собором в 1635 г. был расписан и Никоновский придел, но живопись этого времени сохранилась только в его средней закомаре над апсидой (композиция "Богоматерь с младенцем и святителями") и в простенках барабана купола (фрагментарно). Андреем Рублевым и Даниилом Черным с артелью был выполнен ок. 1425-1427 гг. и иконостас (за исключением праотеческого яруса, созданного в 1600 г. по велению Бориса Годунова). Кроме того, Андрей Рублев несколькими годами раньше написал для Троицкого собора икону "Троица", входившую в состав местного ряда иконостаса (с 1929 г. хранится в Третьяковской галерее, а на ее месте находится копия). В местный ряд входит и другая глубоко чтимая икона "Сергий с житием" (конец XV в.), принадлежащая школе Дионисия. В соборе стоит серебряная рака над гробом Сергия Радонежского (исполнена мастерами Оружейной палаты в Москве в конце XVI в. по велению Ивана Грозного) прекрасный образец русской чеканки (поступила в монастырь после смерти Грозного в 1585г. как вклад царя Феодора и царицы Ирины). Серебряная сень вклад императрицы Анны Иоанновны изготовлена в Москве в мастерской Давида Прифа и установлена в 1737 г.