Троицкий собор является центральной частью древнего архитектурного ансамбля Ипатьевского монастыря в Костроме. В 1560 году на средства Д. И. Годунова был построен первый каменный храм обители, который, согласно Писцовой книге 1628 года, был двустолпным и имел приделы в честь апостола Филиппа и священномученика Ипатия. В 1649 году старый собор был разрушен из-за взрыва пороха, хранившегося в его подклете. Вероятно, этот запас остался после осады монастыря в Смутное время. По указу царя Алексея Михайловича на его месте в 1650-1652 годах был построен новый храм, сохранивший прежние освящения приделов. В конце XVII века к юго-востоку от храма был добавлен придел Михаила Малеина.

Собор представляет собой крупный четырехстолпный трехапсидный храм с позакомарным покрытием, стоящий на мощном подклете и увенчанный пятью чешуйчатыми луковичными главами на световых барабанах. С трех сторон его окружают двухъярусные галереи. В торце южной галереи находится придел Михаила Малеина, который не имеет алтарного выступа. Его крыша состоит из восьми скатов с пологими фронтонами, а верх украшен чешуйчатой луковичной главкой на глухом барабане, низ которого оформлен полуциркульными кокошниками. Фасад собора скромен, но типичен для архитектуры середины XVII века. Стены расчленены гладкими лопатками на три прясла, а многообломный карниз, раскрепованный над лопатками, отсекает пологие дуги закомар. Узкие арочные окна, расположенные на западном фасаде по одному в каждом прясле, на боковых фасадах в более свободном ритме, помещены в глубокие амбразуры без наличников. Оконные проемы на северном фасаде, обращенном к главному входу в монастырь, включены в композицию аркатурно-колончатого пояса, украшающего стену. Килевидные арочки из валиков, опирающиеся на колонки с перетяжками, декорируют барабаны глав. Полукружья апсид разделены гранеными колонками, выступающими из стен. Карниз алтарной части храма, объединенной с приделом Михаила Малеина, усложнен полосами бегунка и сухариков. В нижней части стен ему вторят прорисованные обломы профилированного цоколя, отделяющего подклет от основного объема. Окна апсид обрамлены перспективными наличниками с килевидным обводом. В отличие от скупого убранства стен основного объема, декор галерей более наряден. В основании стен проходит профилированный цоколь, ярусы разделены широким поясом с ширинками, которые также украшают лопатки, разделяющие стену на равномерные прясла, в каждом из которых помещено окно. Особое внимание уделено декору галереи на северном фасаде. Ширинки, оконные наличники и карнизы дополнены белокаменной резьбой: розетками, полосами бусин и резных жгутов. Парадное крыльцо с рундуком на правом фланге северного фасада держится на четырех декорированных столбах с мощными кубышками, несущими висячие арки с гирьками. В основании венчающего сооружение восьмигранного шатра расположена цепочка мелких килевидных кокошников. Высокий лестничный всход покоится на ползучих арках.