Соборная Троицкая церковь была возведена в течение двух строительных сезонов в 1675-1676 годах и освящена в 1678 году. В 1683-1684 годах подрядчик из Нерехты Савва Кириллов вместе с помощниками строил в монастыре шатровую колокольню с местом для часовых гирь. Среди его помощников упоминаются нерехтчанин Никита Петров сын Верин, который получил от монастырского казначея 2 рубля за кирпичную работу, и крестьянин из деревни Чешково Ярославского уезда Фома Андреев. За более чем три века существования церковь претерпела изменения. При рытье фундамента были обнаружены мощи основателя монастыря преподобного Пахомия, и в его честь у южного фасада был заложен придел, облик которого сейчас неизвестен.

В 1830-1834 годах по проекту Петра Ивановича Фурсова церковь была расширена. С западной стороны пристроили обширную трапезную, соединяющую Троицкую церковь с колокольней. По этому же проекту в едином стиле с трапезной был полностью перестроен придел, а окна в четверике расширены. В нынешнем виде церковь Троицы представляет собой бесстолпный, пятиглавый, трёхапсидный храм с четырёхскатной крышей. Четверик перекрыт сомкнутым сводом с круглым отверстием в центре для светового барабана. Двухстолпная трапезная перекрыта коробовыми сводами с распалубками. Придел преподобного Пахомия имеет плоское перекрытие. Колокольня, примыкающая с запада к трапезной, сдвинута к югу от продольной оси здания. Западный портал растёсан, а северный арочный, ведущий на первоначальное крыльцо, сохранил своё убранство с полуколонками и тёсанными кирпичными деталями. Фасады расчленены лопатками на прясла. Восточный фасад оформлен на всю высоту, а остальные прерываются оконными проёмами с наличниками, характерными для второй половины XVII века, с колонками и трёхчастным завершением. На верхней части четверика выложены карнизный пояс и изящные килевидные кокошники. Под ними на фасадах расположены глубокие ниши с сюжетной росписью. Мотив мелких килевидных кокошников повторяется и в основании барабанов пятиглавия с чешуйчатым железным покрытием.