Проектируя Троицкий собор, М.Г. Земцов едва ли не первым из столичных зодчих послепетровской эпохи возвратился к традиционному для русской архитектуры типу центрического храма, но в интерпретации, близкой к западноевропейскому классицизму, с использованием барочного декора. Объёмно-пространственное решение двухъярусного одноглавого собора основано на сочетании прямоугольного (почти квадратного) и крестообразного в плане ярусов, завершённых массивным куполом. Ризалиты с восточной и западной сторон и колонные портики с запада, севера и юга определяют близость плана к греческому равноконечному кресту. Длина ветвей креста равна стороне подкупольного квадрата, являющегося, таким образом, модулем для архитектора. Для здания характерно равноценное решение всех фасадов. Затенённые низкие боковые помещения должны были контрастировать с высоким, хорошо освещённым подкупольным пространством: широкий барабан купола опирался на четыре пилона. В проекте Троицкого собора М.Г. Земцов приблизился к новому типу русских пятиглавых барочных храмов, который впервые был воплощён им в проекте Преображенского собора лейб-гвардии Преображенского полка (Преображенская площадь, 1). Исследователи полагают, что М.Г. Земцов составлял проект с 1741 г. совместно с Пьетро Антонио Трезини, строительство началось в 1743 г. и было завершено П.А. Трезини после смерти М.Г. Земцова в 1754 г. (Татьяна Петровна Федотова систематизировала проектные материалы по данному сооружению, ошибочно определяемые как проект Госпитальной церкви). В 1745 г. последовал указ императрицы Елизаветы Петровны о перемене формы и постановке глав: исследователи полагают, что в первоначальном проекте М.Г. Земцова они по украинскому типу были ориентированы по сторонам света. План собора близок к квадрату. Основной объём завершён пятиглавием, боковые главы, несколько сдвинутые от углов к центру, группируются вокруг массивного главного купола на широком барабане. Фасады были оформлены парными пилястрами, простенки прорезаны высокими окнами с барочными рельефными наличниками. Центральная ось здания выделялась небольшим ризалитом, завершённым треугольным фронтоном. В 1827–1829 гг., после пожара, собор был капитально перестроен в позднеклассицистических формах архитектором Василием Петровичем Стасовым. Архитектура первоначального собора во многом определила тип завершений барочных и раннеклассицистических соборных храмов Санкт-Петербурга и церкви священномученика Климента, папы Римского, в Москве (1762–1774 гг.; исследователи не исключают авторство ученика М.Г. Земцова и П.А. Трезини Ивана Яковлевича Яковлева). М.Г. Земцов проектировал и начинал строить Иоанно-Предтеченскую церковь на Городской (ныне Петроградской) стороне в 1741–1742 гг. (Блохина улица, 26), однако в ходе затянувшегося строительства проект был полностью изменён П.А. Трезини, а затем Антонио Ринальди; освящение храма во имя равноапостольного князя Владимира (Князь-Владимирский собор) произошло только в 1789 г.