Первый каменный собор во имя Живоначальной Троицы построен на месте прежнего деревянного около 1560 года попечением Дмитрия Ивановича Годунова. Согласно Писцовой книге 1628 года, известно, что "мерою та церковь была невелика, внутри в ширину только пять сажень, а в длину четыре сажени" (то есть 10 на 8,5 метров), с приделом во имя святого апостола Филиппа и священномученика Ипатия. Собор был двухстолпным и предназначался для торжественных богослужений. Д. И. Годунов пожертвовал в храм до 90 икон, из которых 45 имели золотые оклады, остальные - серебряные. Престол в храме был также серебряный, чеканный; пожертвован Д. И. Годуновым в 1595 году вместе с бархатной, вышитой жемчугом индитией. В это же время собор был расписан. В храм вели трое металлических двустворчатых дверей, украшающих вход в собор с западной, северной и южной сторон - выполненных в технике золоченой огненной наводки.
     29 января 1649 года Троицкий собор был разрушен взрывом пороха, хранившегося в подклетах храма; заново собор отстраивался с 1650 по 1652 годы. В новом храме были устроены приделы - один во имя святого апостола Филиппа и священномученика Ипатия, епископа Гангрского, другой - во имя преподобного Михаила Малеина, небесного покровителя царя Михаила Феодоровича. Северная сторона храма являлась как бы парадной; поэтому ее украсили фресковым изображением Господа, восседающего на троне, с общей надписью по поясу храма: "Приидите людие Триипостасному Божеству поклонимся". Вход в храм был устроен с запада через обширную паперть, к которой ведет с северной стороны каменное крыльцо.
     Притвор расписывался в разное время. В западной части притвора сохранились фресковые изображения Страшного суда и Лествицы преподобного Иоанна начала XVII века - работы костромского иконописца Василия Ильина-Запокровского. Своды притвора расписала артель палехских иконописцев к 1913 году - специально к приезду в Кострому семьи Романовых, в честь 300-летия Царского Дома. В северной части притвора у входа в собор имеется надпись древнеславянской вязью, вырезанная на белом камне, который в 1798 году был вынут из стены экономских келий и вставлен в стену собора: "Лета 7094 (1586) повелением благоверного и боголюбивого и великого государя царя великого князя Федора Ивановича всея Руси самодержца, и его благочестивыя и христолюбивыя царицы великия княгини Ирины, в третие лето государства его начаты бысть делати сии святые врата и оградка камена около сея превеликия Лавры святыя пребезначальныя Троица Ипацкаго монастыря, тщанием и верою боярина Димитрия Ивановича Годунова, да боярина конюшево Бориса Федоровича Годунова, на память от рода в род и по душех своих и по своих родителех в вечный поминок".
     Металлические двери, ведущие из притвора в собор, были взяты из прежнего полуразрушенного Троицкого собора и замечательны по своей древности, иконографическому содержанию и технике исполнения. Двери сделаны из железа, обиты латунью и украшены чеканными по золоту изображениями и изречениями из Священного Писания и сивиллиных книг. В описи 1609 года содержатся конкретные данные об их происхождении: они были пожертвованы в собор Д. И. Годуновым в 1595-1596 годах.
     Имеющийся в Троицком соборе иконостас устроен в 1756 году при епископе Костромском и Галичском Геннадии (Андреевском); иконостас - с резными тяблами, липовый - выполнен артелью резчиков из посада Большие Соли (Костромского уезда, ныне - Ярославская область) под руководством Петра Золотарева и Макара Быкова. В 1758 году императрица Елизавета Петровна подарила монастырю навершие к иконостасу с изображением Распятия Господа Иисуса Христа. Навершие выполнено петербургскими мастерами. Имеющийся в Троицком соборе иконостас устроен в 1756 году при епископе Костромском и Галичском Геннадии (Андреевском); иконостас - с резными тяблами, липовый - выполнен артелью резчиков из посада Большие Соли (Костромского уезда, ныне - Ярославская область) под руководством Петра Золотарева и Макара Быкова. В 1758 году императрица Елизавета Петровна подарила монастырю навершие к иконостасу с изображением Распятия Господа Иисуса Христа. Навершие выполнено петербургскими мастерами.
     Троицкий собор, включая алтарную его часть, был расписан за один летний сезон 1685 года. В алтаре храма - изображение Пресвятой Богородицы по песнословию "О Тебе радуется, Благодатная, всякая тварь". На стенах храма фресками изображены события Священной истории - вверху Ветхого, а внизу Нового Завета. Внутренние столбы Троицкого собора также украшены стенописью. В ряду изображений святых на юго-восточном столбе находятся портретные изображения царей Михаила Феодоровича и Алексея Михайловича в полный рост, в царских облачениях, со скипетрами в руках и с нимбами над головами. Появление этих изображений в Троицком соборе объясняется, с одной стороны, тем значением, какое имел этот храм как место призвания Михаила Федоровича на царство, а с другой - воспоминанием о восстановлении этого храма в 1650-1652 годах в царствование Алексея Михайловича. К столбу было приставлено царское место, присланное из Москвы 1 июля 1613 года царем Михаилом Феодоровичем в память о призвания его на Престол государства Российского в этом храме. Оно было сделано из липы, с различными мелкими изящными украшениями, высокое - наподобие остроконечной короны древних царей - с двуглавым орлом вверху и короной над ним. В память о том, что императрица Екатерина II при посещении Ипатьевского монастыря стояла на этом царском месте во время Божественной литургии, на левой стороне его сделан резной вензель Екатерины II.
     На стенах Троицкого собора имеются две записи о времени исполнения настенной живописи в храме и авторах ее. Первая запись крупной древнеславянской вязью сделана в виде широкой ленты по трем сторонам храма и содержит в себе сведения о том, что церковь "изографством подписана" в 1685 году, "при державе благоверных великих государей и великих князей Иоанна Алексеевича и Петра Алексеевича всея Великия и Малые и Белые России самодержец, патриархе Московском Иоакиме и архимандрите Ипатьевского монастыря Пахомии с братиею". Вторая запись сделана в клейме на северной стороне храма и содержит в себе имена 18 костромских иконописцев, принимавших участие в росписи храма: "О Бозе трудившиися сию святую церковь изографы града Костромы сии суть имена: Гурий Никитин, Сила Савин, Василей Осипов, Василей Козмин, Артемий Тимофеев, Петр Аверкиев, Григорей Григорьев, Марко Назарьев, Василий Миронов, Фома Ермилов, Филип Андреянов, Ефим Карпов, Макарей Иванов, Василей Васильев, Лука Марков, Гавриил Семенов, Василей Никитин, Федор Липин, Федор Логинов".
     В подвальном помещении Троицкого собора находится храм во имя святого праведного Лазаря Четверодневного. До устройства этого храма здесь находилась кладовая с сенями. Главный вход в Лазаревскую церковь сделан со стороны монастырского кладбища. Внутри храм - небольшой, с низкими сводчатыми потолками. Он был устроен в 1768 году епископом Дамаскиным и имел назначение служить усыпальницей для костромских архипастырей. Небольшой иконостас Лазаревской церкви - первоначально деревянный - позднее заменили на каменный; при этом иконостасом послужила каменная стена храма, отделяющая алтарь от церкви с арками для царских и северных дверей. На этой стене были написаны местные иконы Спасителя и Казанской Божией Матери. В 1888 году вместо каменного в храме установили металлический чугунный иконостас. В Лазаревской церкви находились гробницы Костромских архипастырей: епископа Дамаскина (Аскаронского; +16 июля 1769), епископа Виталия (Щепотова; +29 января 1846) и епископа Александра (Кульчицкого; +16 декабря 1888).
     Вскоре после революции Свято-Троицкий Ипатьевский монастырь был закрыт. В тридцатых годах ХХ века здесь располагался рабочий поселок "Текстильщица". Лишь на рубеже пятидесятых- шестидесятых годов началась реставрация архитектурного комплекса монастыря, в котором разместился историко-художественный музей-заповедник.
     В январе 1991 года впервые за многие десятилетия в епископ Костромской и Галичский Александр совершил в Троицком соборе Божественную литургию. В настоящее время Троицкий собор совместно используется Костромской епархией и музеем-заповедником: в заранее согласованные дни (в частности, как правило, на второй день празднования Рождества Христова, в понедельник Светлой седмицы, в День Святого Духа) в соборе совершается Божественная литургия, в остальное время он доступен для верующих лишь как часть музейной экспозиции.