Die Dreifaltigkeitskathedrale wurde in den Jahren 1675-1676 in zwei Bauphasen errichtet und 1678 geweiht. In den Jahren 1683-1684 baute der Auftragnehmer aus Nerechta, Sawwa Kirillow, zusammen mit seinen Helfern im Kloster einen schindelgedeckten Glockenturm mit Platz für Uhrgewichte. Unter seinen Helfern wird der Nerechta-Bewohner Nikita Petrowitsch Werin erwähnt, der vom Klosterkämmerer 2 Rubel für Maurerarbeiten erhielt, sowie der Bauer aus dem Dorf Tscheschkowo im Jaroslawler Landkreis, Foma Andrejew. Im Laufe von mehr als drei Jahrhunderten hat die Kirche Veränderungen erfahren. Beim Graben des Fundaments wurden die Gebeine des Klostergründers, des heiligen Pachomius, entdeckt, und zu seinen Ehren wurde an der Südseite ein Altarraum errichtet, dessen Aussehen heute unbekannt ist.

In den Jahren 1830-1834 wurde die Kirche nach einem Entwurf von Peter Iwanowitsch Fursow erweitert. Auf der Westseite wurde ein großer Speisesaal angebaut, der die Dreifaltigkeitskirche mit dem Glockenturm verbindet. Nach demselben Entwurf wurde der Altarraum im einheitlichen Stil mit dem Speisesaal vollständig umgebaut, und die Fenster im quadratischen Raum wurden vergrößert. In ihrer heutigen Form ist die Dreifaltigkeitskirche ein säulenloser, fünfkuppelig, dreiapidaler Tempel mit einem vierseitigen Dach. Der quadratische Raum ist mit einem geschlossenen Gewölbe mit einer runden Öffnung in der Mitte für die Lichtkuppel überdeckt. Der zweisäulige Speisesaal ist mit Kastenwölbungen mit Ausbrüchen überdeckt. Der Altarraum des heiligen Pachomius hat eine flache Decke. Der Glockenturm, der sich westlich am Speisesaal anschließt, ist nach Süden von der Längsachse des Gebäudes verschoben. Das westliche Portal ist behauen, während das nördliche, das zum ursprünglichen Vorbau führt, seine Verzierung mit Halbsäulen und behauenen Ziegelteilen bewahrt hat. Die Fassaden sind durch Lisenen in Felder gegliedert. Die östliche Fassade ist in voller Höhe gestaltet, während die anderen durch Fensteröffnungen mit Rahmen unterbrochen sind, die für die zweite Hälfte des 17. Jahrhunderts charakteristisch sind, mit Säulen und dreiteiligem Abschluss. Im oberen Teil des quadratischen Raumes sind ein Gesims und elegante schuppenartige Kokoshniki verlegt. Unter ihnen befinden sich an den Fassaden tiefe Nischen mit figürlicher Malerei. Das Motiv der kleinen schuppenartigen Kokoshniki wiederholt sich auch an der Basis der Trommeln der fünf Kuppeln mit schuppenartiger Eisenabdeckung.