La catedral de la Trinidad es el edificio de piedra más antiguo que se ha conservado en Poshekhonye. Su parte principal es un macizo cuadrado de dos luces, coronado por un alto cinco cúpulas. Al este se adosa la parte del altar de tres ábsides, y al oeste, una pequeña sala rectangular. La estructura de la catedral recuerda a la catedral del monasterio de Epifanía de 1702. Las gruesas paredes y dos potentes pilones cuadrados sostienen el sistema de arcos de refuerzo y bóvedas de cruz. La cúpula central tiene un tambor luminoso, mientras que las cúpulas laterales son ciegas. El aspecto exterior de la catedral es simple: las ventanas en las paredes norte y sur están dispuestas de tres en el nivel superior y una a cada lado del portal en la parte inferior. Actualmente, las ventanas y portales inferiores están parcialmente perdidos. El cornisa con dientes sirve de base para cinco kokoshniks semicirculares en cada fachada. En la pared oeste, hay simétricamente dos pequeñas ventanas en forma de cruz, que aparecieron en la segunda mitad del siglo XVIII. En este mismo período, las esquinas del cuadrado fueron decoradas con rustico.

El interior de la catedral no se ha conservado, de las pinturas murales del siglo XVIII solo quedan pequeños fragmentos. Al noroeste de la catedral se eleva un campanario de cuatro niveles, construido en la segunda mitad del siglo XIX, que recuerda a los campanarios perdidos de Yaroslavl. Tres macizos volúmenes cúbicos sirven de base para una rotonda con altos arcos, coronada por una cúpula. Esta composición es característica de los proyectos del académico K.A. Ton, cuya influencia es notable en la arquitectura provincial del siglo XIX. La decoración del campanario también está realizada en este estilo: el primer nivel está adornado con un friso de kokoshniks con una ventana redonda en el centro. Los arcos de los niveles inferiores están enmarcados por semicolumnas facetadas con entablamento y archivoltos en forma de quilla. Los muros del nivel superior están decorados con pilastras toscanas. Al norte de la catedral se encontraba la ahora perdida iglesia cálida de la Natividad de Cristo, que formaba parte del complejo catedralicio.