Троицкий собор является самым старым каменным зданием, сохранившимся в Пошехонье. Его основная часть представляет собой массивный двухсветный четверик, близкий к квадрату, увенчанный высоким пятиглавием. С востока к нему примыкает трехапсидная алтарная часть, а с запада, небольшая прямоугольная трапезная. Конструкция собора напоминает собор Богоявленского Островского монастыря 1702 года. Толстые стены и два мощных квадратных пилона поддерживают систему подпружных арок и крестовых сводов. Центральная глава имеет световой барабан, а боковые главы, глухие. Внешний вид собора прост: окна на северной и южной стенах расположены по три в верхнем ярусе и по одному по сторонам портала в нижнем. Сейчас нижние окна и порталы частично утрачены. Карниз с зубчиками служит основанием для пяти полукруглых кокошников на каждом фасаде. На западной стене симметрично расположены два небольших окна в форме креста, появившиеся во второй половине XVIII века. В это же время углы четверика были украшены рустом.

Внутреннее убранство собора не сохранилось, от стенописей XVIII века остались лишь небольшие фрагменты. К северо-западу от собора возвышается четырехъярусная колокольня, построенная во второй половине XIX века, напоминающая утраченные колокольни Ярославля. Три массивных кубических объема служат основой для ротонды с высокими арками, увенчанной куполом. Такая композиция характерна для проектов академика К.А. Тона, чье влияние заметно в провинциальной архитектуре XIX века. Декор колокольни также выполнен в этом стиле: первый ярус украшен фризом из кокошников с круглым окном в центре. Арочные пролеты нижних ярусов обрамлены гранеными полуколоннами с антаблементом и килевидными архивольтами. Простенки верхнего яруса оформлены тосканскими пилястрами. К северу от собора находился ныне утраченный теплый храм Рождества Христова, входивший в соборный комплекс.