В основу Троицкого Собора положен тип древнерусского, трехнефного, с казвитым трансептом, тремя атидами, крестовокупольного храма. По обеим сторонам западного фасада поставлены две башни, которые увенчаны высоким верхом. Широкий трансект подчеркнуто но южном и северном фасадах с большими выступами с барочными фронтонами. Стены трактовано в ордерной системе, с использованием ниш, больших фигурных окон, триугольных и полциркулярных сандриков. В 1974-1985 гг. реставрирован в первоначальных бароковых формах с семью банями.

В XVII в. Собор был расписан, однако почти вся роспись, кроме центрального купола, уничтожена пожарами. В XVIII в. были произведены новые барочные росписи высокого художественного мастерства, позднее также поврежденные, а в конце XIX в. снова обновлены.

Главной художественной доминантой интерьера был огромный пятиярусный бароковый иконостас, что занимал всю ширину храма, а высота его была 20 метров, но к сожалению до нашего времени он не сохранился. Существующий сейчас сделан в первые послевоенный года в упрощенной форме.

В подвале, размещенным под всем Собором, находятся пять больших помещений, разделенные стенами-сводами. Со второй половины XVIII ст. здесь хоронили черниговских архиереев, из которых самым выдающимся является преосвященнейший Филарет (Гумилевский). В одной из камер семейный склеп графов Милорадовичей.

До революции в соборе находилась чудотворная икона Ильинской Божьей матери, которая потом была утеряна. Сейчас Свято-Троицкий Собор является кафедральным, в нем находятся мощи черниговских угодников Святителя Феодосия, преподобного Лаврентия, частицы мощей Михаила и Феодора и многих Печерских святых.