Дата создания: 1422 г.
Материал, техника: белый камень
Собор сооружен в 1422 г. над гробом Сергия Радонежского на месте деревянного собора 1412 г., посвященного Троице (строительство осуществлялось на средства Московского вел. кн. Василия I и Звенигородского кн. Юрия Дмитриевича). В XV-XVI вв. здесь крестили наследников московского престола, скрепляли договоры целованием креста у гроба Сергия. Как и собор Успения "на Городке" в Звенигороде, это четырехстолпный, крестовокупольный храм, стоящий на подклете и возведенный из белого камня. Но декор в соответствии с общим обликом здания стал строже: осталась только тройная лента резного орнамента, опоясывающая стены, апсиды и барабан. Стены членятся здесь лишь плоскими лопатками, на которые опираются килевидные арки закомар.
Все формы храма очень просты и компактны апсиды почти не выступают за пределы основного куба и подняты на одну высоту, к самому его верху; килевидные кокошники, так называемые диагональные закомары, едва возвышаются над закомарами фасадов (кокошники у постамента барабана разобраны в 1510г.); гладкие стены имеют довольно значительный наклон внутрь, чему соответствует сужение кверху барабана купола. Внутренняя конструкция здания не отвечает членениям его фасадов. Небольшой по размерам храм-мавзолей внутри довольно просторен: его столпы сильно сдвинуты к востоку, и алтарная часть очень невелика, что связано, вероятно, со стремлением увеличить вместительность храма. Но этот сдвиг неблагоприятно сказался на внешнем облике здания, несколько нарушив его центричность и равновесие масс: глава смещена к востоку, западные диагональные закомары оторвались от нее, южный и северный порталы также расположены не в центре, а ближе к апсидам. Ради восстановления симметрии и пришлось сохранить равномерное трехчастное членение фасадов лопатками, не выявляющее внутренней планировки.
Внутри плоскости стен, лишенные всяких декоративных элементов, производят еще более строгое впечат
Одновременно с Троицким собором в 1635 г. был расписан и Никоновский придел, но живопись этого времени сохранилась только в его средней закомаре над апсидой (композиция "Богоматерь с младенцем и святителями") и в простенках барабана купола (фрагментарно). Андреем Рублевым и Даниилом Черным с артелью был выполнен ок. 1425-1427 гг. и иконостас (за исключением праотеческого яруса, созданного в 1600 г. по велению Бориса Годунова). Кроме того, Андрей Рублев несколькими годами раньше написал для Троицкого собора икону "Троица", входившую в состав местного ряда иконостаса (с 1929 г. хранится в Третьяковской галерее, а на ее месте находится копия). В местный ряд входит и другая глубоко чтимая икона "Сергий с житием" (конец XV в.), принадлежащая школе Дионисия. В соборе стоит серебряная рака над гробом Сергия Радонежского (исполнена мастерами Оружейной палаты в Москве в конце XVI в. по велению Ивана Грозного) прекрасный образец русской чеканки (поступила в монастырь после смерти Грозного в 1585г. как вклад царя Феодора и царицы Ирины). Серебряная сень вклад императрицы Анны Иоанновны изготовлена в Москве в мастерской Давида Прифа и установлена в 1737 г.