Die Dreifaltigkeitskathedrale ist das älteste steinerne Gebäude, das in Poschechonje erhalten geblieben ist. Ihr Hauptteil besteht aus einem massiven zweigeschossigen Viereck, das fast quadratisch ist, gekrönt von einer hohen fünfkuppligen Kuppel. Im Osten schließt sich der dreichörige Altarbereich an, im Westen eine kleine rechteckige Speisehalle. Die Konstruktion der Kathedrale ähnelt der des Gotteshäuser des Epiphaniusklosters von 1702. Dicke Wände und zwei massive quadratische Pfeiler stützen das System der gedrückten Bögen und Kreuzgewölbe. Die zentrale Kuppel hat einen Lichttrommel, während die seitlichen Kuppeln blind sind. Das äußere Erscheinungsbild der Kathedrale ist schlicht: Die Fenster an den nördlichen und südlichen Wänden sind im oberen Geschoss zu dritt und im unteren Geschoss je eines auf beiden Seiten des Portals angeordnet. Derzeit sind die unteren Fenster und Portale teilweise verloren gegangen. Ein Gesims mit Zähnen dient als Basis für fünf halbrunde Kokoschniks an jeder Fassade. An der Westwand sind symmetrisch zwei kleine Fenster in Form eines Kreuzes angeordnet, die in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts entstanden. Zur gleichen Zeit wurden die Ecken des Vierecks mit Rustika verziert.

Die innere Ausstattung der Kathedrale ist nicht erhalten geblieben, von den Wandmalereien des 18. Jahrhunderts sind nur kleine Fragmente übrig. Nordwestlich der Kathedrale erhebt sich der vierstöckige Glockenturm, der in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts erbaut wurde und an die verlorenen Glockentürme von Jaroslawl erinnert. Drei massive kubische Volumen bilden die Basis für die Rotunde mit hohen Bögen, die von einer Kuppel gekrönt wird. Eine solche Komposition ist charakteristisch für die Projekte des Akademikers K.A. Ton, dessen Einfluss in der provinziellen Architektur des 19. Jahrhunderts deutlich zu erkennen ist. Die Dekoration des Glockenturms ist ebenfalls in diesem Stil gehalten: Die erste Etage ist mit einem Fries aus Kokoschniks und einem runden Fenster in der Mitte geschmückt. Die Bogenöffnungen der unteren Etagen sind von facettierten Halbsäulen mit einem Gebälk und keilförmigen Archivolten umrahmt. Die Wandflächen der oberen Etage sind mit toskanischen Pilastern gestaltet. Nördlich der Kathedrale befand sich die heute verlorene warme Kirche der Geburt Christi, die zum Kathedralenkomplex gehörte.