Согласно писцовой книге 1582 г., «поставленный ново» Троицкий собор с пятью приделами: во имя преподобного Михаила Клопского, св. Иоанна Предтечи, в честь Покрова Пресвятой Богородицы, во имя преподобного Иоанна Лествичника и «Петра Стратилата» (как полагают исследователи, великомученика Феодора Стратилата) стоял неосвящённым. Наличие самостоятельных архитектурных объёмов для приделов, посвящённых святым, тезоименитым царю Ивану IV Васильевичу Грозному и его сыновьям, отличает собор от других памятников новгородской архитектуры XVI в., сближает его с многопридельными храмами этого царствования и напоминает о молении за правящую семью. Ближайшим архитектурным аналогом собора в Новгороде исследователи считают церковь мученика Никиты в Плотницком конце (1555 – 1556/1557 гг.). Исследователям неизвестно, был ли храм освящён после строительства, и когда завершились все работы. Исследователи полагают, что они были приостановлены в связи с захватом обители в 1580 г. польскими войсками. Троицкий собор сохранил конструктивную основу XVI в. Это – монументальный четырёхстолпный трёхапсидный храм с вальмовой (поздней) кровлей и трёхглавым завершением. С трёх сторон он окружён пониженными пристройками – папертью (с запада) и приделами (с юга и севера). Фасады основного объёма и пристроек разделены на прясла лопатками. Трёхуступчатые лопатки апсид в верхней части завершены килевидными арками. Центральный барабан декорирован фризом из спаренных двухуступчатых килевидных арочек, малые барабаны – двухуступчатыми пятиугольными нишками. Килевидную форму имеют арки перспективных порталов. Своды основного объёма коробовые. Переход к центральному барабану осуществляется с помощью повышенных подпружных арок. Восточные барабаны опираются на ступенчатые арки, перекинутые в двух направлениях. Южный придел первоначально имел ступенчатые (ныне коробовый свод с распалубками), северные – крестово-вспарушенные своды, вместо которых в XIX в. было устроено плоское перекрытие. Стены храма и западной паперти украшены росписью, которую по стилистическим особенностям исследователи датируют концом XVII – началом XVIII вв. В 1632–1641 гг. в связи с разорением обители шведами собор ремонтировался. На рисунке Августина Мейерберга середины XVII в. на южных приделах храма показано общее односкатное покрытие вместо отдельных щипцовых кровель. В XVII в. центральная глава была покрыта белым железом, при этом вокруг главы «по белому железу в исподе писан летописец» (скорее всего, как полагают исследователи, буквы были вырезаны на полосе железа). В 1695 г. в соборе было пять приделов: в диаконнике – преподобного Михаила Клопского, с севера – преподобного Иоанна Лествичника и великомученика Феодора Стратилата, с юга – Покрова Пресвятой Богородицы и Усекновения главы св. Иоанна Предтечи. Основной объём и приделы были крыты тёсом, главы (два – на основном объёме, четыре – на приделах) – лемехом. На колокольне были часы «без перечасья». О других перестройках Троицкого собора, осуществлённых к началу XVIII в., исследователи судят по изображению Клопского Михайловского монастыря на южной стене диаконника.