Троицкий собор, являющийся центром Троицкого ансамбля, — уже четвертый, выстроенный на том месте, где первоначально построена была преподобным Александром, по велению Божию, церковь во имя Святой Троицы. Он построен в 1695 году при архимандрите Гермогене и освящен в 1698 году, 29 августа, Иовом, митрополитом Новгородским. Известны также имена мастеров — строителей собора — костромичей Петра Потемкина, Якова Агафонова, Фомы Алексеева, Анисима Перфильева, Никиты Киприянова. В соборе сохранились росписи, исполненные в 1715 году артелью костромских мастеров под руководством Леонтия Маркова, и иконостас с иконами конца XVII века. Монастырские архивы упоминают имена известных тихвинских иконописцев Гаврилы Сазонова, Петра и Ивана Фалилеевых, Ивана Иванова, а также тихвинского «иконника» Иродиона Сергиева. Стены и столбы Троицкого собора расписывали Иродион Сергиев и Иван Иванов. Фрески сохранились, правда, в 1960-х годах они отставали от стены на 50 сантиметров и реставраторы прибивали их специальными левкасными гвоздями.