La iglesia catedral de la Trinidad fue construida durante dos temporadas de construcción en 1675-1676 y fue consagrada en 1678. En 1683-1684, el contratista de Nerekhta, Savva Kirilov, junto con sus asistentes, construyó en el monasterio un campanario con cúpula y un lugar para pesas de reloj. Entre sus asistentes se menciona a Nikita Petrov, hijo de Verin, de Nerekhta, quien recibió 2 rublos del tesorero del monasterio por trabajos de ladrillo, y a Foma Andreyev, un campesino de la aldea de Cheshkovo, del distrito de Yaroslavl. A lo largo de más de tres siglos de existencia, la iglesia ha sufrido cambios. Al excavar los cimientos, se encontraron las reliquias del fundador del monasterio, el venerable Pakhomie, y en su honor se construyó una capilla en la fachada sur, cuyo aspecto es actualmente desconocido.

Entre 1830 y 1834, según el proyecto de Pyotr Ivanovich Fursov, la iglesia fue ampliada. Se añadió un amplio refectorio en el lado oeste, conectando la iglesia de la Trinidad con el campanario. Según el mismo proyecto, la capilla fue completamente reconstruida en un estilo uniforme con el refectorio, y las ventanas en el cuadrado fueron ampliadas. En su forma actual, la iglesia de la Trinidad es un templo sin columnas, de cinco cúpulas y tres ábsides, con un techo a cuatro aguas. El cuadrado está cubierto con una bóveda cerrada con un orificio redondo en el centro para el tambor de luz. El refectorio de dos columnas está cubierto con bóvedas de caja con desagües. La capilla del venerable Pakhomie tiene un techo plano. El campanario, adyacente al refectorio por el oeste, está desplazado hacia el sur del eje longitudinal del edificio. El portal occidental está labrado, mientras que el norte, en arco, que conduce al vestíbulo original, ha conservado su decoración con semicolumnas y detalles de ladrillo labrado. Las fachadas están divididas por pilastras en tramos. La fachada oriental está decorada en toda su altura, mientras que las demás se interrumpen con vanos de ventanas con marcos característicos de la segunda mitad del siglo XVII, con columnas y un remate de tres partes. En la parte superior del cuadrado se han colocado un cornisa y elegantes kokoshniks en forma de quilla. Debajo de ellos, en las fachadas, hay nichos profundos con pinturas narrativas. El motivo de los pequeños kokoshniks en forma de quilla se repite también en la base de los tambores de las cinco cúpulas, con un revestimiento de hierro en forma de escamas.