La catedral fue construida en 1422 en el lugar de la catedral de madera de 1412, dedicada a la Trinidad, y está situada sobre la tumba de Sergio de Radonezh. En los siglos XV y XVI, aquí se bautizaban a los herederos del trono moscovita y se firmaban tratados, besando la cruz sobre la tumba de Sergio. Al igual que la catedral de la Asunción en Zvenígorod, es un templo de cuatro pilares con cúpula en forma de cruz, que se levanta sobre un podio y está construido de piedra blanca. La decoración del edificio se volvió más austera: solo quedó una cinta triple de ornamentación tallada que rodea las paredes, las ábsides y el tambor. Las paredes están divididas por pilastras planas que sostienen arcos en forma de quilla. Las formas del templo son simples y compactas: las ábsides apenas sobresalen del cubo principal, están elevadas a la misma altura, y los kokoshniks apenas se alzan sobre los arcos de los fachadas. Las paredes lisas están inclinadas hacia adentro, lo que corresponde al estrechamiento del tambor de la cúpula. La disposición interior no coincide con las divisiones del fachada. El templo-mausoleo es espacioso en su interior, los pilares están desplazados hacia el este, y la parte del altar es pequeña, lo que aumenta la capacidad del templo. Esto desplaza la cúpula hacia el este, rompiendo la centralidad y el equilibrio: los arcos occidentales están separados, los portales están más cerca de las ábsides. Para la simetría, se mantuvo la división en tres partes de las fachadas con pilastras, que no refleja la planificación interior. Las paredes interiores, desprovistas de decoración, lucen más austeras que las fachadas. En el siglo XVI, se añadió un pórtico al fachada occidental, y en 1548, se construyó la capilla nikoniana en el lado sureste. Entre 1425 y 1427, la catedral fue pintada por Andréi Rublev y Daniil Chorny. En 1635, los frescos fueron reemplazados por nuevos, conservando el antiguo sistema de pintura. La pintura mural fue renovada en varias ocasiones, y ahora las paredes están decoradas con frescos de 1635, revelados durante la restauración de 1949-1954. La pintura original de Rublev se ha conservado solo en los ángulos de la puerta en el diaconado. En 1635, también se pintó la capilla nikoniana, pero la pintura solo se ha conservado en el arco central sobre la ábside y en los intercolumnios del tambor. El iconostasio fue realizado por Rublev y Chorny alrededor de 1425-1427. Además, Rublev pintó para la catedral el ícono "La Trinidad", que formaba parte del conjunto local del iconostasio. También incluye el ícono "Sergio con su vida" de la escuela de Dionisio. En la catedral se encuentra un relicario de plata sobre la tumba de Sergio de Radonezh, un ejemplo de la cuncelación rusa. La suntuosa plata, donación de la emperatriz Anna Ioánnovna, fue fabricada en Moscú en el taller de David Prífa y se instaló en 1737.