Компактный, очень гармоничный объем храма представляет собой куб, перекрытый высоким световым барабаном и куполом. Южный и северный фасады украшены ионическими портиками. После 1826 г. вместо старой колокольни выстроили новую по проекту архитекторов Ф.М. Шестакова и Н.И. Козловского. Высокая четырехъярусная звонница, стоящая на переломе улицы, акцентирует на себе городскую панораму. Ее архитектура по-ампирному монументальна и величественна. Каждый ярус разнообразен по архитектурной композиции и наполнен нарядным, прекрасно прорисованным лепным декором. Единство классического ансамбля проявилось в архитектуре скромных домов причта, церковной ограды с аркой ворот, сохранившей лепной орнамент, и миниатюрного углового павильона, умело замыкавшего пространство участка. Их строительство велось в 1830-е гг.
В 1922 г. храм закрыли. В дальнейшем церковный ансамбль лишился ампирного павильона на углу Пятницкой улицы и части ограды. Правда, внешне храм несколько раз ремонтировали, поскольку его выразительный объем очень выделялся в уличной застройке. Архитектура фасадов сохранилась достаточно хорошо, в интерьере на стенах и сводах под побелкой уцелела живопись второй половины XIX века, но иконостасы, церковная утварь и иконы были утрачены. В 1990 г. храм возвратили общине верующих, и начались восстановительные работы. 8 июня 1994 г. освятили главный престол Святой Троицы, а 18 ноября 1997 г. – приделы Благовещения Пресвятой Богородицы (южный), святителя Тихона, патриарха Московского и всея Руси, и новомучеников российских (северный). Чтимые иконы храма: святителя Тихона и мученика Уара. В настоящее время в приделах трапезной возобновлена часть росписи стен и иконостасы.
В центральной подкупольной части установлен беломраморный иконостас и продолжаются работы по восстановлению живописи. На территории, примыкающей к храму, с 1992 г. располагается часть Свято-Тихоновского православного богословского института, и Троицкий храм стал главным институтским храмом.
Троицы на Воробьевых горах церковь
(улица Косыгина, дом № 30).На высоком крутом берегу Москвы-реки, перед почти 300-метровым высотным зданием Московского университета и буквально в нескольких шагах от известной смотровой площадки на Воробьевых горах, стоит храм Живоначальной Троицы. В 1937 г. закрыли стоящую неподалеку Троицкую церковь в Троицком-Голенищеве, из нее в храм на Воробьевых горах перенесли два антиминса и соорудили приставной престол в главном алтаре во имя бывших в закрытом храме приделов святителя Ионы, митрополита Московского, и мученика Агапия.