Белокаменный Троицкий собор является одним из важных памятников раннемосковского зодчества. С Троицкого собора началось формирование уникального строительного ансамбля монастыря. Древная роспись внутренних стенок собора, выполненная в 1425—1427 гг. преподобными богомазами Андреем Рублёвым и Даниилом Чёрным, до нас не дошла. Сохранившаяся роспись выполнена в 1635 г. и воспроизводит древнейшую иконографию начальной росписи. Главное художественное сокровище Троицкого собора — его пятиярусный иконостас, большая часть икон которого выполнено в первой трети XV в. преподобным Андреем Рублёвым и мастерами его круга.
В Троицком соборе раз в день совершаются богослужения: Божественная литургия (начало в 6 час. 30 мин., не считая будних дней Величавого поста), молебны с акафистом преподобному Сергию у раки с его святыми мощами (с 5 час. 30 мин. до 20 час. 30 мин.), также другие богослужения. В Троицком соборе принимают монашеский постриг братия обители.
