Рядом с Воскресенским летним собором, с восточной стороны, находится второй величественный теплый храм, посвященный Святой Троице. Этот каменный храм с тремя престолами был построен в 1821 году благодаря стараниям игуменьи Маврикии Ходневой и сестер обители. Он возведен на месте, где ранее была деревянная часовня, служившая местом погребения царских узниц, княгинь-инокинь Евдокии и Александры.

Храм имеет форму продолговатого квадрата с полукруглыми выступами на восток и запад, которые немного ниже основного здания. С южной и северной сторон расположены фронтоны, поддерживаемые четырьмя полуколоннами. Над полукружиями находятся деревянные карнизы, которые опираются на шестнадцать каменных круглых колонн. Крыша храма четырехскатная, покрыта железом по деревянным стропилам. Над храмом возвышается большой купол в форме котла, с шейкой, окруженной десятью колонками и малым куполом с главкой и железным крестом.

Вход в храм расположен с западной стороны и начинается с просторного каменного крыльца, которое ведет в небольшую полукруглую паперть. Она отделена от основного помещения капитальной стеной с двустворчатыми дверями. Внутреннее пространство храма представляет собой квадрат с полукруглым выступом на восток. Потолок из дерева, оштукатуренный, поддерживается двенадцатью деревянными колоннами, обшитыми железом. Эти колонны также поддерживают большие хоры, расположенные вдоль северной, южной и западной стен. На хорах находятся два придела: в честь Божией Матери Владимирской на южной стороне и Всех Святых на северной.

Алтарь отделен от основного помещения капитальной стеной с большим проемом, в котором расположен иконостас. Он также выполнен в полукруглой форме, вдавшейся в алтарь, и украшен резьбой с позолотой. Верхний карниз поддерживают восемь круглых колонн, окрашенных в синий цвет, а сам иконостас окрашен в сиреневый. Царские врата выполнены из дерева и украшены позолоченной резьбой; в центре изображено Благовещение Божией Матери в серебряной ризе с разноцветными камнями. Над вратами изображен Дух Святой в виде голубя, а выше, Тайная вечеря и икона Воскресения Господня.

Реставрация собора завершилась в 2014 году. Были проведены работы по восстановлению фасадов, кровли, купола, установке крестов, реставрации кирпичной кладки, устройству отмостки, покраске фасадов, а также воссозданию окон и дверей.