Согласно последним исследованиям, Троицкий собор был построен в 1591–1596 гг., при настоятеле Феоктисте (с 1603 г – архиепископ Тверской), на месте более древнего Троицкого храма с включением в южный придел мест захоронений Герасима, Аркадия Дорогобужского, а также членов родов Салтыковых и Звенигородских. Закладка собора производилась при участии церковного мастера Терентия, но основные работы выполнялись под руководством государева мастера Фёдора Савельевича Коня. Четырёхстолпный крестово-купольный пятиглавый храм имел два симметричных придела: во имя апостола Иоанна Богослова (с юга) и во имя св. князей Бориса и Глеба (с севера). План собора близок плану второго яруса церкви Преображения Господня в селе Большие Вязёмы Московской области, но большего масштаба: западная стена собора монастыря в 1,7 раза шире; высота сооружения до верха креста центральной главы – 35 м. С восточной стороны четверик собора обрамляли три полукруглые апсиды; у приделов также были полукруглые апсиды. Четверик собора имел позакомарное покрытие. Фасады членились пучками профилированных лопаток, узор в виде декоративных килевидных кокошников украшал постаменты барабанов и сплошной лентой охватывал четверик храма под карнизом в основании закомар, повторяясь на апсидах приделов. Приделы были перекрыты крещатыми сводами, а их стены завершались тремя рядами кокошников и главками, причём кокошники нижнего ряда, поставленные парно по граням четверика, по своей величине и форме больше напоминали закомары. Центральный, южный и северный входы собора украшали перспективные порталы с килевидными архивольтами и перехватами трёх колонн с каждой стороны «дыньками» и карнизами. В толще северной стены собора располагалась лестница, приводившая из северо-западного угла собора на его своды. Собор был сложен из кирпича размером 30х14х9 см, в декоративных элементах (пилястры, кокошники, карнизы) использовался кирпич размером 21х10х4 см. С трёх сторон собор окружала крытая галерея с аркадой, опиравшейся на круглые столбы. Уникальность галереи Троицкого собора заключалась в наличии входа не только с западной, но и с южной и северной сторон, кроме того, она расширялась в местах примыкания к приделам. В 1879 г., при настоятеле архимандрите Андрее (Васильеве), галерею разобрали, на её месте с юга и севера возвели пристройки, расширявшие приделы. В 1880 гг. приделы были переосвящены: северный – в честь Казанской иконы Божьей Матери (1881 г.), южный – в честь 12 апостолов (1889 г). Расчистка и изучение отдельных фрагментов руин собора была начата в 1969 г. К разборке завалов приступили в 1984 г., работа значительно активизировалась с возобновлением монастырской жизни и практически была завершена летом 2004 г.; в мае 2005 г. началось восстановление собора. Двухэтажное кирпичное здание трапезной палаты с Введенской церковью, стоявшей к юго-западу от Троицкого собора, было построено в первой половине 1580 гг., при игумене Антонии (Алексееве; с 1586 г. – епископ Вологодский и Великопермский), и напоминает аналогичную постройку в Успенском монастыре в городе Старица Тверской области.