Без ущерба для своего творчества (а Троицкий собор был логическим развитием предшествующих построек Старова в Богородицке и Бобриках), но и не нарушая единства ансамбля, с большим тактом, Старов сумел вписать здание собора, решенного в классицистических формах, в барочную архитектуру окружающих его строений. Собор — центр ансамбля. Он подчиняет окружаюшее пространство, возвышаясь мощным барабаном с венчающей его громадой купола над крестообразной в плане трехнефной базиликой. В западной ее части, вросшие в тело собора, поднимаются монументальные башни звонниц, ограничивая с двух сторон пространство глубокой лоджии с выступающим шестиколонным портиком, подчеркивающим парадную торжественность главного фасада и входа. Две дугообразные одноэтажные галереи с прорезанными в них арками ворот, фланкированных сдвоенными парными колоннами, связывают объемы башен с ближними уступами Духовского и Федоровского корпусов. Великолепно решение купола собора. Ритм ордерных колонн, членящих межоконные простенки барабана, подчеркивает его монументальность, а высокие, часто прорезанные окна, вместе с изящным, обработанным кронштейнами и гирляндами, покрытым маленькой золоченой медной главкой, световым фонариком из пудостского камня, насыщают подкупольное пространство светом и придают ему глубину и легкость. Разнообразие объемов собора, усиленное разной высотой нефов, высокого главного и более низких боковых, отмечено четкостью их членения, редкостной соразмерностью и красотой их сочетаний. Обработка фасадов пилястрами и филенками строга, но не монотонна. Римско-дорический, суровый ордер базилики, портиков и основания башен, устойчиво монументальных, сменяется выше, в ордерном решении башен и купола, светотеневой живописностью композитных капителей, силуэтным богатством башен и куполов. В художественном единстве с внешним обликом собора решены скульптурные панно, созданные одним из крупнейших скульпторов России XVIII столетия Ф. Шубиным. В глубине лоджии вкомпонован вытянутый по горизонтали горельеф «Жертвоприношение царя Соломона в день освящения Иерусалимского храма». С юга и севера от главных дверей помещены «Явление Бога Моисею в купине несгораемой» и «Вручение Богом Моисею скрижалей завета». Экспрессивные по решению, живописные по моделировке композиции вместе с символикой рельефного заполнения фронтона портика и его колоннадой создают выразительное и лаконичное оформление главного фасада собора. Более спокойны по композиции четкие в строгом силуэте скульптурных объемов горельефы над южным и северным входами в здание: «Явление св. Троицы Аврааму у дуба Мамврикийского» и «Встреча блудного сына». Над главными западными дверями внутри собора помещен горельеф «Вход Господень в Иерусалим». Над этими же дверями, только с внешней стороны, в 1797 году, уже после открытия собора, поместили изображение ордена св. Александра Невского, которое держат ангелы. Вырезанная в дереве, потом вызолоченная, эта горельефная группа является одним из блистательных образцов русской монументально-декоративной скульптуры конца XVIII столетия. К сожалению, ее автор неизвестен.
Внутреннее убранство собора, решение интерьеров представляют известный контраст сдержанности внешнего декора. Это сказывается не только в большей насыщенности, но в разнообразии примененных в отделке интерьера материалов — бронза, алебастр, разные сорта мрамора, дерево и т. д.
Собор поражает огромностью своего внутреннего пространства, организованностью его, величием главного нефа. Разделив собор на три нефа могучими пилонами, Старов декорировал их сдвоенными каннелированными колоннами коринфского ордера, над пышными золочеными капителями которых нависает карниз сложного, богато обработанного антаблемента со статуями святых и апостолов, созданных Шубиным[18]
.Свет, пронизывающий подкупольное пространство, эффектно выделяет шедевр архитектора — алтарь собора. В апсиду, повторяя плавность и мягкость ее очертаний, вписана арка царских врат и колоннада, огибающая полукругом престол. Алтарь создавали по рисункам и модели Старова мраморщик И. Пинкетти, «бронзовых и медных дел мастера» и позолотчики П. Ажий, А. Сандос, К. Эст-Берг и И. Тумм, «столярный мастер» Ф. Кауш, а живопись царских врат и иконостаса выполнена Я. Меттенлейтером и профессором Академии художеств И. А. Акимовым. Золоченая бронза изящного рисунка царских врат с овалами живописных вставок, мерцающее золотом сияние над ними выделяются в тонкой цветовой гамме мраморов алтаря — белого итальянского с малиновыми прожилками, зеленого рускольского и вставками сибирского агата. Бронзовые розеты кессонов, покрывающих арку врат и падугу алтарной ниши, сияние над аркой, позолота пилястр и архитрава фасадной стены апсиды и ниши, капителей колоннады и балясин балюстрады дополняют строгую и благородную изысканность убранства алтарной части собора.