La catedral de la Trinidad se construyó durante ocho años, de 1776 a 1784, gracias a las donaciones de los habitantes de Ustyug. Esta estructura de cinco cúpulas cuenta con un campanario independiente, lo que permitió mantener la armonía de los volúmenes. El campanario se asienta sobre un cuadrado de base, apoyándose en arcos que conectan macizos pilares cuadrangulares. El octógono de la campana termina en un bajo chapitel con dos filas de ventanas de oído, donde las superiores son más pequeñas que las inferiores, lo que refuerza el efecto de reducción perspectiva y subraya la grandeza del edificio.

La catedral de forma cúbica está rodeada por tres lados por una galería de dos pisos. Sus decoraciones incluyen pilastras comunes, un cornisa escalonada y arcos. El altar destaca frente a la simple adición de la catedral de Arcángel gracias a sus ábsides ondulados de tres lóbulos, que se integran suavemente al volumen principal del templo. La aspiración de la catedral hacia arriba se enfatiza con las cinco cúpulas sobre tambores facetados que emergen de filas de kokoshniks. Las ventanas de la catedral están enmarcadas con azulejos verdes. A nivel del segundo piso de la galería se encuentra un friso ancho, motivos similares se utilizan en la decoración del cuadrado del campanario.

La catedral de la Trinidad también es conocida por su iconostasio tallado de cinco niveles del siglo XVIII, que es uno de los mejores ejemplos del arte decorativo ruso. El iconostasio fue creado por los maestros de Totma, los hermanos Nikolai y Timofei Bogdanov. Además de la delicada talla de las columnas y cartuchos, está adornado con figuras en relieve de los evangelistas y querubines. La impresión general de riqueza del iconostasio se ve reforzada por el dorado realizado por la cooperativa de P.A. Labzin en una compleja técnica de doble con ceras y estampados figurativos sobre yeso húmedo.

Desde 1995, por acuerdo con la administración del museo, se celebra un servicio religioso en la catedral durante la festividad de la Santísima Trinidad.