Die Kathedrale wurde 1422 anstelle der hölzernen Kathedrale von 1412, die der Dreifaltigkeit gewidmet war, erbaut und befindet sich über dem Grab von Sergius von Radonesch. Im 15. und 16. Jahrhundert wurden hier die Erben des Moskauer Throns getauft und Verträge unterzeichnet, indem sie das Kreuz am Grab von Sergius küssten. Wie die Uspenski-Kathedrale in Zvenigorod ist dies ein viersäuliger Kreuzkuppeltempel, der auf einem Unterbau steht und aus weißem Stein gebaut ist. Die Dekoration des Gebäudes wurde strenger: Es blieb nur das dreifache Band aus geschnitztem Ornament, das die Wände, Apsiden und den Tambour umgibt. Die Wände sind durch flache Lisenen unterteilt, die die keilförmigen Bögen der Zakomaren stützen. Die Formen des Tempels sind einfach und kompakt: Die Apsiden ragen kaum über den Hauptwürfel hinaus, sie sind auf gleicher Höhe angehoben, und die Kokoshniki erheben sich kaum über die Zakomaren der Fassaden. Die glatten Wände sind nach innen geneigt, was der Verengung des Tambours der Kuppel entspricht. Die innere Anordnung entspricht nicht den Fassadenunterteilungen. Der Tempel-Mausoleum ist innen geräumig, die Säulen sind nach Osten verschoben, und der Altarbereich ist klein, was die Kapazität des Tempels erhöht. Dies verschiebt das Hauptdach nach Osten und stört die Zentralität und das Gleichgewicht: Die westlichen Zakomaren sind abgetrennt, die Portale liegen näher an den Apsiden. Zur Symmetrie wurde die dreiteilige Unterteilung der Fassaden durch Lisenen beibehalten, die die innere Planung nicht widerspiegeln. Die inneren Wände, die ohne Dekor sind, wirken strenger als die Fassaden. Im 16. Jahrhundert wurde an die Westfassade eine Vorhalle angebaut, und 1548 wurde an der Südostseite die Nikonskij-Kapelle hinzugefügt. In den Jahren 1425-1427 wurde die Kathedrale von Andrej Rubljow und Daniil Tschernyj bemalt. 1635 wurden die Fresken durch neue ersetzt, wobei das alte Malereisystem erhalten blieb. Die Wandmalerei wurde mehrfach erneuert, und heute schmücken Fresken aus dem Jahr 1635 die Wände, die während der Restaurierung von 1949-1954 freigelegt wurden. Die ursprüngliche Malerei von Rubljow ist nur an den Türstürzen im Diakonat erhalten geblieben. 1635 wurde auch die Nikonskij-Kapelle bemalt, aber die Malerei ist nur im mittleren Zakomar über der Apside und in den Stützen des Tambours erhalten geblieben. Der Ikonostase wurde von Rubljow und Tschernyj um 1425-1427 angefertigt. Darüber hinaus malte Rubljow für die Kathedrale das Ikone "Dreifaltigkeit", die in die lokale Reihe des Ikonostase aufgenommen wurde. Dazu gehört auch das Ikone "Sergius mit Leben" aus der Schule von Dionysius. In der Kathedrale befindet sich eine silberne Reliquie über dem Grab von Sergius von Radonesch, ein Beispiel für russische Prägung. Der silberne Baldachin, ein Beitrag von Kaiserin Anna Ioannowna, wurde in Moskau in der Werkstatt von David Prichof angefertigt und 1737 installiert.