Die Dreifaltigkeitskathedrale ist der zentrale Teil des alten architektonischen Ensembles des Ipatiev-Klosters in Kostroma. Im Jahr 1560 wurde mit Mitteln von D. I. Godunov die erste steinerne Kirche des Klosters erbaut, die laut dem Katasterbuch von 1628 zweisäulig war und Kapellen zu Ehren des Apostels Philippus und des heiligen Märtyrers Ipatius hatte. Im Jahr 1649 wurde die alte Kathedrale durch eine Explosion von Pulver, das in ihrem Untergeschoss gelagert war, zerstört. Wahrscheinlich blieb dieser Vorrat nach der Belagerung des Klosters in der Zeit der Wirren zurück. Auf Befehl von Zar Alexei Michailowitsch wurde an ihrer Stelle von 1650 bis 1652 eine neue Kirche erbaut, die die früheren Weihe der Kapellen bewahrte. Ende des 17. Jahrhunderts wurde südöstlich der Kirche eine Kapelle des Michael Malein hinzugefügt.

Die Kathedrale ist ein großer vier-säuliger dreiachsiger Tempel mit einem Schindeldach, der auf einem massiven Untergeschoss steht und mit fünf schuppenartigen Zwiebelkuppeln auf Lichttrommeln gekrönt ist. Sie wird von dreiseitigen zweigeschossigen Galerien umgeben. Am Ende der südlichen Galerie befindet sich die Kapelle des Michael Malein, die keinen Altarvorsprung hat. Ihr Dach besteht aus acht geneigten Flächen mit flachen Giebeln, und die Oberseite ist mit einer schuppenartigen Zwiebelkuppel auf einer blinden Trommel geschmückt, deren Unterseite mit halbrunden Kokoschniks verziert ist. Die Fassade der Kathedrale ist bescheiden, aber typisch für die Architektur des 17. Jahrhunderts. Die Wände sind durch glatte Lisenen in drei Felder unterteilt, und das vielschichtige Gesims, das über den Lisenen verankert ist, schneidet die flachen Bögen der Schindeln ab. Schmale Bogenfenster, die an der Westfassade jeweils eines in jedem Feld und an den Seitenfassaden in freierem Rhythmus angeordnet sind, sind in tiefe Scharten ohne Rahmen eingelassen. Die Fensteröffnungen an der Nordfassade, die dem Haupteingang des Klosters zugewandt ist, sind in die Komposition eines Arkaden- und Säulenfrieses integriert, der die Wand schmückt. Keilförmige Bögen aus Walzen, die auf Säulen mit Querschnitten ruhen, dekorieren die Trommeln der Kuppeln. Die Halbbögen der Apsiden sind durch facettierte Säulen getrennt, die aus den Wänden hervortreten. Das Gesims des Altarbereichs der Kirche, das mit der Kapelle des Michael Malein verbunden ist, wird durch Streifen von Läufern und Knabbergebäck kompliziert. Im unteren Teil der Wände wird es von den gezeichneten Bruchstücken eines profilierten Sockels begleitet, der das Untergeschoss vom Hauptvolumen trennt. Die Fenster der Apsiden sind mit perspektivischen Rahmen mit keilförmigem Umriss umrahmt. Im Gegensatz zur kargen Ausstattung der Wände des Hauptvolumens ist die Dekoration der Galerien prächtiger. An der Basis der Wände verläuft ein profilierter Sockel, die Geschosse sind durch einen breiten Gürtel mit Schlitzen getrennt, die auch die Lisenen schmücken, die die Wand in gleichmäßige Felder unterteilen, in denen jeweils ein Fenster platziert ist. Besonderes Augenmerk wurde auf die Dekoration der Galerie an der Nordfassade gelegt. Die Schlitze, Fensterrahmen und Gesimse sind mit weißem Steinmetzwerk ergänzt: Rosetten, Perlenstreifen und geschnitzte Zöpfe. Die repräsentative Treppe mit einem Vorbau am rechten Flügel der Nordfassade ruht auf vier dekorierten Säulen mit massiven Kapitellen, die hängende Bögen mit Gewichten tragen. Am Fuß des krönenden achteckigen Zeltes befindet sich eine Kette kleiner keilförmiger Kokoschniks. Die hohe Treppe ruht auf kriechenden Bögen.