Собор был построен в 1422 году на месте деревянного собора 1412 года, посвященного Троице, и расположен над гробом Сергия Радонежского. В XV-XVI веках здесь крестили наследников московского престола и заключали договоры, целуя крест у гроба Сергия. Как и Успенский собор в Звенигороде, это четырехстолпный крестовокупольный храм, стоящий на подклете и построенный из белого камня. Декор здания стал строже: осталась только тройная лента резного орнамента, опоясывающая стены, апсиды и барабан. Стены разделены плоскими лопатками, поддерживающими килевидные арки закомар. Формы храма просты и компактны: апсиды почти не выступают за пределы основного куба, подняты на одну высоту, а кокошники едва возвышаются над закомарами фасадов. Гладкие стены наклонены внутрь, что соответствует сужению барабана купола. Внутреннее устройство не соответствует фасадным членениям. Храм-мавзолей внутри просторен, столпы сдвинуты к востоку, а алтарная часть невелика, что увеличивает вместительность храма. Это сдвигает главу к востоку, нарушая центричность и равновесие: западные закомары оторваны, порталы расположены ближе к апсидам. Для симметрии сохранили трехчастное членение фасадов лопатками, не отражающее внутреннюю планировку. Внутренние стены, лишенные декора, выглядят строже, чем фасады. В XVI веке к западному фасаду пристроили паперть, а в 1548 году к юго-восточной стороне, Никоновский придел. В 1425-1427 годах собор был расписан Андреем Рублевым и Даниилом Черным. В 1635 году фрески заменили новыми, сохранив старую систему росписи. Стенопись неоднократно обновлялась, и сейчас стены украшают фрески 1635 года, раскрытые в ходе реставрации 1949-1954 годов. Первоначальная роспись Рублева сохранилась лишь на откосах двери в дьяконнике. В 1635 году был расписан и Никоновский придел, но живопись сохранилась только в средней закомаре над апсидой и в простенках барабана. Иконостас был выполнен Рублевым и Черным около 1425-1427 годов. Кроме того, Рублев написал для собора икону "Троица", входившую в местный ряд иконостаса. В него также входит икона "Сергий с житием" школы Дионисия. В соборе находится серебряная рака над гробом Сергия Радонежского, образец русской чеканки. Серебряная сень, вклад императрицы Анны Иоанновны, изготовлена в Москве в мастерской Давида Прифа и установлена в 1737 году.