La cathédrale a été construite en 1422 à l'emplacement de la cathédrale en bois de 1412, dédiée à la Trinité, et est située au-dessus de la tombe de Serge de Radonège. Aux XVe et XVIe siècles, les héritiers du trône moscovite y étaient baptisés et des traités étaient conclus en embrassant la croix au tombeau de Serge. Comme la cathédrale de l'Assomption à Zvenigorod, c'est un temple à quatre piliers et à coupole en croix, reposant sur un soubassement et construit en pierre blanche. La décoration du bâtiment est devenue plus austère : seule une bande triple de motifs sculptés ceint les murs, l'abside et le tambour. Les murs sont divisés par des pilastres plats, soutenant des arcs en forme de coin. Les formes du temple sont simples et compactes : les absides dépassent à peine le cube principal, sont élevées à la même hauteur, et les kokoshniks s'élèvent à peine au-dessus des arcs en forme de coin des façades. Les murs lisses sont inclinés vers l'intérieur, ce qui correspond à la réduction du tambour de la coupole. L'agencement intérieur ne correspond pas aux divisions de la façade. Le temple-mausolée à l'intérieur est spacieux, les piliers étant déplacés vers l'est, et la partie de l'autel est petite, ce qui augmente la capacité du temple. Cela déplace la coupole vers l'est, perturbant la centralité et l'équilibre : les arcs en forme de coin à l'ouest sont détachés, et les portails sont plus proches des absides. Pour la symétrie, la division en trois parties des façades a été conservée avec des pilastres, ne reflétant pas la planification intérieure. Les murs intérieurs, dépourvus de décoration, semblent plus austères que les façades. Au XVIe siècle, un porche a été ajouté à la façade ouest, et en 1548, une chapelle nikonienne a été construite du côté sud-est. Entre 1425 et 1427, la cathédrale a été peinte par Andreï Roublev et Daniil Tcherny. En 1635, les fresques ont été remplacées par de nouvelles, tout en conservant l'ancienne technique de peinture. La peinture murale a été renouvelée à plusieurs reprises, et aujourd'hui, les murs sont ornés de fresques de 1635, mises à jour lors de la restauration de 1949 à 1954. La peinture originale de Roublev n'a été conservée que sur les ébrasements de la porte dans le diaconat. En 1635, la chapelle nikonienne a également été peinte, mais la peinture n'est conservée que dans l'arc moyen au-dessus de l'abside et dans les pilastres du tambour. L'iconostase a été réalisée par Roublev et Tcherny vers 1425-1427. De plus, Roublev a peint pour la cathédrale l'icône de la "Trinité", qui faisait partie de la série locale de l'iconostase. Elle comprend également l'icône "Sergueï avec sa vie" de l'école de Dionysius. La cathédrale abrite un reliquaire en argent au-dessus de la tombe de Serge de Radonège, un exemple de la frappe russe. Le dais en argent, don de l'impératrice Anne Ivanovna, a été fabriqué à Moscou dans l'atelier de David Prikhodko et installé en 1737.