Die Dreifaltigkeitskathedrale wurde über einen Zeitraum von acht Jahren, von 1776 bis 1784, dank der Spenden der Einwohner von Ustyug erbaut. Dieses fünfkuppelige Bauwerk mit einem freistehenden Glockenturm ermöglicht es, die Harmonie der Volumen zu bewahren. Der Glockenturm steht auf einem quadratischen Fundament, das auf Bögen ruht, die massive quadratische Säulen verbinden. Der achteckige Glockenstuhl endet mit einem niedrigen Zeltdach mit zwei Reihen von Schallfenstern, wobei die oberen kleiner sind als die unteren, was den Effekt der perspektivischen Verkürzung verstärkt und die Größe des Gebäudes unterstreicht.

Die Kathedrale in kubischer Form ist auf drei Seiten von einer zweigeschossigen Galerie umgeben. Ihre Verzierungen umfassen gewöhnliche Pilaster, einen abgestuften Gesims und Ziergiebel. Der Altarraum hebt sich vor dem schlichten Anbau der Erzengelkathedrale durch die dreilappigen wellenförmigen Apsiden ab, die sanft in das Hauptvolumen des Tempels übergehen. Die Streben der Kathedrale nach oben wird durch die fünf Kuppeln auf den polygonalen Tambouren betont, die aus Reihen von Kokoschki wachsen. Die Fenster der Kathedrale sind mit grünen Fliesen umrahmt. Auf der Höhe des zweiten Geschosses der Galerie befindet sich ein breiter Gürtel, ähnliche Motive wurden in der Dekoration des Glockenturms verwendet.

Die Dreifaltigkeitskathedrale ist auch bekannt für ihren fünfstöckigen geschnitzten Ikonostase aus dem 18. Jahrhundert, der zu den besten Beispielen der russischen dekorativen Kunst zählt. Der Ikonostase wurde von den Totemsker Meistern Nikolai und Timofei Bogdanov geschaffen. Neben der feinen Schnitzerei der Säulen und Kartuschen ist er mit reliefartigen Figuren der Evangelisten und Cherubim verziert. Der Gesamteindruck des Reichtums des Ikonostase wird durch die Vergoldung verstärkt, die von der Kunstgemeinschaft P.A. Labzin in der komplexen Technik des Doppelgusses mit Zierleisten und figürlichen Abdrücken auf rohem Lehmputz ausgeführt wurde.

Seit 1995 wird in Absprache mit der Museumsverwaltung anlässlich des Festes der Heiligen Dreifaltigkeit im Tempel ein Gottesdienst abgehalten.