Основной объем храма (без приделов XIX века) – интересный памятник провинциального церковного зодчества конца XVII века. Некогда его восьмерик был украшен не одной, а пятью главами (предположение Н.Н. Свешникова). Архитектурный тип этого храма — восьмерик на четверике позднее станет образцом для многих серпуховских церквей. В начале XVIII века рядом с собором построили отдельно стоящую шатровую колокольню. В конце XIX века на колокольне сохранялся будничный колокол 1709 года, также пожертвованный архимандритом Феодотием «в поминовение родителей». И шатровая колокольня и нарядный пятиглавый храм с приделом святого великомученика Димитрия Солунского представляли собой очень интересный и живописный архитектурный ансамбль. От XVII века сохранились трехчастный алтарь, наличники окон и портал южной стены. Полуколонки и поребрик четверика, архитектурный декор восьмерика. Издревле архитектура православного храма, элементы его декора несли определенное смысловое содержание. Думается, что ступенчатость, ярусность архитектуры Троицкого собора с его карнизами, полуколонками, поребриками и убывающими кверху объемами могли напоминать о лествице (лестнице) добродетелей, которую должен пройти в своей жизни православный христианин, дабы непостыдно предстать перед престолом Святой Троицы. По всей видимости, само здание собора не отапливалось, так как в начале XIX столетия в зимний период служили в Дмитриевском приделе, который был теплым.После закрытия в начале 1930-х годах Троицкий собор был разграблен и осквернен, здание постепенно разрушалось. В 1967 году началась его реставрация. В результате реставрационных работ восстановлена первоначальная архитектура колокольни, фасады основного объема. С начала 1980-х годов Троицкий собор является филиалом Серпуховского историко-художественного музея. И может быть, только благодаря тому, что в его стенах разместился филиал Серпуховского историко-художественного музея, собор был спасен от окончательного разрушения.