La cathédrale de la Trinité a été construite pendant huit ans, de 1776 à 1784, grâce aux dons des habitants d'Ustyug. C'est un édifice à cinq coupoles avec un clocher séparé, ce qui a permis de préserver l'harmonie des volumes. Le clocher est installé sur un socle carré, reposant sur des arcs qui relient de massifs piliers quadrangulaires. L'octogone du carrefour se termine par un faible toit en forme de tente avec deux rangées de fenêtres de lucarne, où les fenêtres supérieures sont plus petites que les inférieures, ce qui renforce l'effet de réduction perspective et souligne la grandeur du bâtiment.

La cathédrale de forme cubique est entourée sur trois côtés d'une galerie à deux étages. Ses décorations comprennent des pilastres ordinaires, une corniche en gradins et des arcatures. Le chœur se distingue par rapport à l'annexe simple de la cathédrale de l'Archange grâce à ses absides en forme de vagues à trois lobes, qui se fondent harmonieusement dans le volume principal du temple. L'élévation de la cathédrale vers le ciel est accentuée par les cinq coupoles sur des tambours angulaires, qui émergent de rangées de kokoshniks. Les fenêtres de la cathédrale sont encadrées de carreaux de faïence verts. À l'étage supérieur de la galerie se trouve une ceinture large, des motifs similaires sont utilisés dans la décoration du socle du clocher.

La cathédrale de la Trinité est également connue pour son iconostase sculpté à cinq niveaux du XVIIIe siècle, qui est l'un des meilleurs exemples de l'art décoratif russe. L'iconostase a été créé par les maîtres de Totma, les frères Nikolaï et Timofeï Bogdanov. En plus de la délicate sculpture des colonnes et des cartouches, il est orné de figures en bas-relief des évangélistes et des chérubins. L'impression générale de richesse de l'iconostase est renforcée par la dorure réalisée par l'atelier de P.A. Labzin dans une technique complexe de double avec des cires et des impressions figuratives sur un plâtre brut.

Depuis 1995, par accord avec l'administration du musée, un service religieux est célébré dans le temple lors de la fête de la Sainte-Trinité.