Самим першим зі збережених до наших часів будівель був Троїцький собор. Побудований він був після бачення, що сталося у наступника Сергія Радонезького — ігумена Никона. У 1422 році на місці однойменної дерев'яної церкви сербські ченці, яких прихистив монастир після битви на Косовому полі, почали зведення білокам'яного храму. Будівництво тривало три роки, а наступні два роки – його розпис.

Нині Троїцький собор є пам'яткою раннемосковского зодчества і продовженням володимиро-суздальської архітектури XIV-XV століть. Це скромне невелика будівля, що сформувала навколо себе весь ансамбль Троїце-Сергієвої лаври. Четверик храму подібний кубу з трохи нахилені всередину стінами, створюють таким чином відчуття перспективи. Зовні ухил починається від самого заснування, а всередині — від арок порталів, що покращує оглядовість. Площина фасадів розділена на три частини, що завершуються килевидными склепіннями — закомарами. Високий світловий барабан, розташований на четырехгранном підставі над четвериком, завершується блискучим позолоченим шоломоподібним куполом з хрестом. Золотом ж покрита і багатоярусна покрівля собору. Світловий барабан зміщений від центру у бік апсид, щоб візуально зрівноважити будова. Крім того, велика кількість високих віконних прорізів заливають світлом іконостас. Три апсиди собору рівні по висоті. Центральна частина вівтаря виступає трохи сильніше інших.

Пізніше, в 1548 році, до Троїцького собору з південної його сторони прибудували Никоновскую церква, ніби нагадуючи про зв'язок ігумена з його вчителем. Роком раніше настоятель монастиря преподобний Нікон був зарахований до лику святих, і над його гробом поставили храм. Виконаний він в псковському стилі, який отримав поширення у московських архітекторів XVI століття. У 1559 році з тієї ж сторони храму з'явилася ще одна прибудова – намет над труною єпископа Серапіона. Завдяки всім пристройкам собор став виглядати багатоярусним.

Внутрішнє оздоблення Троїцького собору виконував великий російський іконописець Андрій Рубльов, запрошений преподобним Никоном, а також Данило Чорний. На жаль, фрески того часу не збереглися. Зате іконостас дійшов у своєму первісному вигляді з деякими змінами. Головна храмова ікона «Свята Трійця» зараз знаходиться в Третьяковській галереї, а її копія у пятиярусном іконостасі храму Троїце-Сергієвої лаври разом з іншими шедеврами російського живопису листи преподобного Андрія Рубльова. Художник заснував при монастирі майстерню іконописців, в якій отримали уроки багато російські майстри іконопису.

Троїцький собор щодня приймає паломників і туристів зі всіх кінців світу, які приїжджають поклонитися святим мощам преподобного Сергія Радонезького, почилих тут в срібній раці.

Троїцький собор, будучи першим кам'яним храмом Троїце-Сергієвої Лаври, зберігаючи головну її святиню, став центральною спорудою всього монастиря. Тут сходяться дві основні дороги Троїце-Сергієвої лаври, розходячись у різні сторони, визначаючи планування. Прибудови, з часом оточили Троїцький собор, створили цілісний архітектурний ансамбль храму, а церкви, що будуються на території монастиря, доповнювали картину. Реставруючи Лавру в 1938 році, архітектор В. В. Трофимов помітив, що тут дотримані пропорції так званого «золотого перетину». Це спостерігається і в висоті будівель, і в співвідношенні обсягів. А видалення будівель один від одного визначається висотою Троїцького собору. Наприклад, церква Святого Духа знаходиться на відстані двох висот храму, а Успенський собор – трьох.