Старов начал работу, когда в процессе шестидесятилетнего строительства архитектурный ансамбль уже сложился. Годы создания Троицкого собора совпали со временем пересмотра художественных принципов барокко и освоением приемов античного искусства, получивших в русской архитектуре, с ее традициями древнего и нового зодчества, яркое и своеобразное развитие. Становление классицизма в архитектуре, определенное общими тенденциями развития культуры и искусства XVIII столетия, характерно постепенным отказом от барочных композиционных и декоративных приемов. Это нашло отражение и в строительстве Старовым Троицкого собора: в его общем плане, характере силуэта, в элементах обработки фасадов. Собор возводился пятнадцать лет, и на разных этапах его проектирования и строительства нашли свое выражение растущее мастерство архитектора, изменение некоторых художественных принципов и укрепление классицистических тенденций в творчестве талантливого зодчего.
Облик собора, его композиция в известной мере отражают еще зависимость от архитектуры предшествующего периода, в частности, от здания швертфегеровского собора, хотя последнее ощутимо лишь в композиции двухбашенной звонницы, включенной в общий объем соборной базилики, и в характере самих башен, их завершений, не вполне органичных для классицистической архитектуры. Первоначально Старов собирался использовать в декорировке башен круглую скульптуру, как это видно на авторском рисунке фасада. Позднее, в модели, он заменил угловые группы вазами, впоследствии снятыми. Вместо задуманного вначале обильного украшения фасадов скульптурным декором архитектор ограничился скупыми вставками пяти скульптурных панно, акцентировавших входы в здание. Однако некоторые элементы облика собора говорят о еще неизжитой зависимости от предшественников по строительству, возможно вполне сознательной.
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.