Огромное здание включает в себя нижнюю и верхнюю церкви и два небольших придела. Входом в главную, верхнюю церковь, служит высокое крыльцо, ведущее прямо во второй ярус храма. Высота собора (72 метра, а с крестом главного купола – 78 метров) и его выгодное расположение на кремлевском холме позволяют видеть храм за много километров от города.
Соборная колокольня была возведена одновременно с самим храмом, как предполагается – на фундаментах древней Снетной башни Псковского Крома. Первоначально она имела более простую композицию. Ее основная часть представляла собой подобие крепостной башни, со сводчатыми перекрытиями внизу, деревянным помостом в верхнем ярусе и амбразурами для «огненного боя». Над башней возвышалась колокольня, верх которой был покрыт пирамидальной тесовой крышей. Ход к колоколам проложен от самого низа башни в толще ее стены. Ныне существующий верхний ярус колокольни с четырьмя проемами и его завершение со шпилем относятся уже к началу XIX века.
Здание собора дошло до наших дней с некоторыми переделками. В конце XVIII века из-за трещин, образовавшихся вследствие неодинаковой осадки здания, были заложены открытые боковые галереи нижнего яруса, а само здание храма укреплено контрфорсами. В XIX веке подверглось переделке крыльцо: характерная для XVII века крутая лестница с высокими ступенями была заменена более пологой, само крыльцо удлинилось, боковые проемы старой нижней площадки были заложены, новая площадка придвинулась вплотную к крепостной стене. В 1894–1895 годах храм был полностью оштукатурен снаружи, а окна украшены лепными фигурными наличниками (первоначально внешним украшением собора являлся только пояс цветных изразцов, часть которых сохранилась до нашего времени; недостающие изразцы были заново изготовлены в 1960-х годах по старым рисункам).
Внутри собора – обилие света. Роспись сводов и барабанов глав поздняя, невысокого качества, зато огромный золоченый иконостас в семь ярусов, созданный в конце XVII столетия, служит подлинным украшением интерьера. Среди икон, преимущественно того же времени, выделяются Чирская и Тихвинская иконы Божьей Матери, образ Св. Николая Чудотворца и князя Всеволода-Гавриила, изображенного с моделью древнего Троицкого собора в руке.
В соборе хранится «Ольгин крест», изготовленный в 1623 году по образцу более древнего, по преданию – сооруженного еще княгиней Ольгой. Эта реликвия сгорела в 1590 году. Ранее в Троицком храме находилось еще несколько почитаемых городских реликвий. Среди них – меч князя Всеволода-Гавриила. Его огромным размерам удивился даже Петр I, который, как известно, сам отличался недюжинной силой и высоким ростом.
В храме покоились мощи князя Довмонта-Тимофея. Его мечом опоясывались все псковские князья, поступавшие на службу вечевой республике. В 1266 году литовский князь Довмонт был посажен на княжеский стол в Пскове и тридцать три года верой и правдой служил республике, защищая ее границы. Он был отчаянно смел, и его беззаветно любили псковичи, готовые идти за ним в огонь и в воду. Известна его знаменитая речь, обращенная к псковичам в минуту опасности: «Братья мужи псковичи! Не посрамим отцов и дедов наших. Кто стар, тот мне отец, а кто молод – тот брат. Теперь, братья, нам предстоит жизнь или смерть. Постоим же за Святую Троицу!»
Уже будучи в преклонном возрасте, в 1299 году, князь Довмонт отразил от стен Пскова набег немецких рыцарей, а затем настиг их с малой дружиной и наголову разбил. А спустя два месяца князь скончался и был погребен в Троицком соборе.
В подклете Троицкого собора погребен блаженный Николай Салос. С его именем связано предание о приходе в Псков Ивана Грозного. Царь только что разгромил и дотла разорил Новгород, заподозренный им в измене, и теперь шел с опричниками устроить такую же кровавую баню в Пскове. Навстречу царю, холодея от страха, с иконами и хлебом-солью вышли псковичи… Но всех опередил юродивый Николка Салос. Он выехал навстречу царю верхом на палочке: «Иванушка! Иванушка! Покушай лучше хлеба-соли, а не христианской крови!» Рассвирепев, Иван Грозный повелел схватить «дерзеца», но тот внезапно стал невидимым…
Пораженный царь пощадил псковичей и проследовал прямо в Троицкий собор. После службы он зашел в тесную келью юродивого. Николка предложил царю угощение – кусок сырого мяса. «Я христианин и не ем мяса в пост», – попробовал отшутиться царь. «Ты кровь человеческую пьешь!» – глядя в глаза царю, сказал блаженный.
Смелость юродивого спасла Псков от разорения. После смерти Николая Салоса благодарные горожане похоронили его в подклете Троицкого собора – честь, которой удостаивались только псковские архиепископы и князья.
Кижи