Архитектурный облик здания был задуман в новом модном стиле, известном как "нарышкинское" барокко, представляющем русскую версию одного из великих европейских стилей. Строительство Трапезной церкви завершилось в 1692 году, приуроченное к 300-летию преставления Преподобного Сергия.

Тип храма с трапезной появился в России еще в XVI веке. Здание, расположенное на крутом южном склоне, возведено на подклет, что значительно поднимает его над землей. В пропорциях Сергиевской церкви апсидам, выдвинутым на восток, отводится особая роль, их объем и мощная пластика выделяют алтарное пространство.

После пожара 1746 года над Трапезной установили железную кровлю с уникальной системой стропил, выполненной механическим способом. Церковный портал с высоким фронтоном и резными колоннами, немного отстоящий от стены, изначально был открытым. Широкие лестничные марши, с остановочными площадками в середине, ведут к двум частям здания: церкви и Трапезной палате с семью большими окнами. Над лестницей главного входа, перестроенной в 1734 году, возвышается шатер открытых сеней.

Характерной чертой постройки является обилие внешнего декора. Стены почти исчезают за высокими гладкими колоннами и полуколоннами, расставленными попарно и пучками, малыми витыми колонками, обрамляющими окна и двери, фигурными наличниками, карнизами и раковинами. Динамика стиля "оживляет" стены, эффектно выделяя многослойные рельефы резьбы и лепнины.

Настенная живопись и лепнина, украшающие трапезную церковь и зал, были выполнены в 1778-1780 годах. Внутреннее пространство Сергиевского храма вытянуто с севера на юг и невелико по размерам. Вместо узких окон свет поступает через большие оконные проемы.

До начала 2000-х годов трапезный храм был главным местом монастырских богослужений.

В 2012-2015 годах в Трапезном храме провели масштабные работы: установили покрытие гульбища из чугуна, отреставрировали фасады южного подклета, стены и своды интерьеров, усилили фундаменты северного гульбища, отреставрировали помещения северного подклета, устроили теплый пол Малой Братской Трапезной, восстановили живопись в алтаре, установили теплый пол Северной галереи и вентиляцию, а также отреставрировали пристенные киоты и архитектурно-лепной декор.