大教堂是俄罗斯古典建筑群的代表，它拥有不同世纪不同形式的许多教堂，包括圣三一教堂、杜霍夫斯基降灵教堂及塔楼、圣母升天教堂、斋房、十一座塔楼、慈善医院等。
其中圣三一教堂最为著名，建于1423—1442年，为俄国早期白石建筑艺术的典范。圣三一教堂内有修道院创建人谢尔盖的陵墓，著名画家安德烈·鲁勃廖夫的壁画《三圣图》（后迁移）和吉奥尼西亚所绘的圣绚；建于1682—1692年的富丽堂皇的白石砖砌斋房大厅，长70米，宽15米，是举行隆重集会的地方；1741—1769年修建的五层钟楼，高达87米，内有挂钟42口。教堂内外高墙如嶂，塔楼林立，殿堂巍峨，气象壮丽。
1742年开办宗教学校；1744年获大教堂称号，直属俄罗斯正教会主教公会管辖；1814年莫斯科神学院迁此。每逢复活节、圣诞节等重大宗教节日，教会的高级僧侣都在此主持隆重的圣事。1920年修道院被列为国家历史博物馆保护区。馆中保存有12—19世纪的应用工艺品，18世纪的俄罗斯绘画，还藏有许多民间艺术品，如木、石、骨雕、壁画、纸彩画和俄罗斯刺绣等。1988年以后，大教堂恢复了正常的宗教职能。
与谢尔盖圣三一大教堂关系密切的还有谢尔盖·拉多涅日斯基教堂。谢尔盖·拉多涅日斯基教堂是俄罗斯著名古战场库利科沃战场上的教堂，在今图位州地区，莫斯科以南，顿河与涅普里亚德瓦河之间的辽阔原野上，这是有5个绿色圆顶的白石教堂。19世纪中叶，为纪念6个世纪前莫斯科大公德米特里战胜金帐汗国大军而建。
相传德米特里出发前曾来谢尔盖圣三一大教堂拜见谢尔盖·拉多涅日斯基，求得精神支持与护佑。按照古老的风俗，在竖立民族英雄德米特里纪念碑的同时，修建了纪念谢尔盖·拉多涅日斯基的教堂。