Budowniczowie obiektu nie są znani, natomiast autorem jego projektu był Aleksandr Witberg – ten sam, który opracował pierwotny, niezrealizowany plan soboru Chrystusa Zbawiciela, który również miał powstać na Wzgórzach Worobiowych. Budowla została zbudowana w stylu klasycystycznym, na planie krzyża, z prostokątną wydłużoną nawą i jedną kopułą. Ikonostas w świątyni był czterorzędowy, zdobiony kolumienkami. Na dzwonnicy cerkiewnej znajdowało się sześć dzwonów. Pierwsze freski we wnętrzu obiektu wykonano w 1833, w 1868 zastąpiono je nowymi. Z wyposażenia starszej cerkwi do nowej przeniesiono ikonę św. Mikołaja oraz dwa wizerunki maryjne: kopie Ikony Matki Bożej „Trójręka” oraz Dońskiej Ikony Matki Bożej.
Cerkiew Trójcy Świętej przez cały okres radziecki nie została zamknięta. Była jedyną świątynią, w której tolerowane było (prawnie zakazane) bicie w dzwony podczas nabożeństwПодробная история храма. Obiekt był remontowany w latach 1964, 1968 i 1971, ponadto w latach 1952–1953 i 1971–1972 odnawiano wnętrze. Wtedy też obok starszych fresków wykonano nowe malowidła, przedstawiające sceny z życia świętych Mikołaja i Sergiusza z Radoneża. W czasach radzieckich w cerkwi urządzono czwarty ołtarz – świętych Jonasza i Agapiasza. Byli oni pierwotnie patronami bocznych ołtarzy w cerkwi Trójcy Świętej przy ul.