святыню обители составляет собор Святой Троицы, построенный в 1422 году над гробом преподобного Сергия Радонежского. Собор представляет собой четырехстолпный крестовокупольный храм из белого камня, стоящий на подклете. В XV–XVI вв. в соборе крестили наследников московского престола, целованием креста у гроба преподобного Сергия скрепляли важнейшие договоры. В 1548 году над гробом преподобного Никона к собору пристроили придел. Около 1425–1427 годов над росписью собора трудился Андрей Рублев, бывший также учеником преподобного Сергия; в дальнейшем роспись неоднократно обновлялась, а несохранившаяся нижняя часть была заново расписана в 1949–1954 годах. Для этого собора Андрей Рублев написал икону «Троица». В местный ряд входит и другая местночтимая икона «Сергий с житием», принадлежащая школе Дионисия и написанная в конце XVI в. В соборе стоит серебряная рака над гробом Сергия Радонежского, исполненная по велению Ивана Грозного мастерами Оружейной палаты.
В монастыре был крещен Иван Грозный. В его царствование было начато возведение собора Успения Пресвятой Богородицы. По архитектуре храм напоминает Успенский собор московского Кремля, несколько превосходя его по размерам. В 1606 году под западной папертью собора было погребено тело Бориса Годунова, изъятое по велению Лжедмитрия II из царской усыпальницы в Кремле и первоначально захороненное в Варсонофьевском монастыре. Здесь же похоронены его жена и дочь. Позднее паперть была разобрана, а над могилами Годуновых построена усыпальница. Роспись храма была завершена в 1684 году и в большей части сохранилась до наших дней.
Монастырь превращался в первоклассную крепость. Практически неприступная по тем временам она выдержала шестнадцатимесячную осаду польских войск в Смутное время. Не имеющая прецедентов по мужеству оборона Троицкого монастыря ознаменовалась чудесными явлениями преподобного Сергия Радонежского и других угодников Божиих, укреплявших дух героических защитников православной твердыни. Монастырь стал одним из оплотов ополчения Минина и Пожарского.
Храм Духовский (или храм Сошествия Святого Духа на Апостолов) воздвигнут в 1476 году. Сложен он из кирпича и представляет собой классический пример псковского зодчества. Завершается он невысокой синекупольной колокольней.
Венчает архитектурный ансамбль монастыря пятиярусная колокольня, построенная в 1741–1770 годы. Высота ее составляет 87 м (колокольня Новодевичьего монастыря имеет высоту 72 м, Иван Великий в Кремле – 81 м).
Ряд интересных сооружений создан на территории лавры в XVIII в.: небольшая Михеевская церковь рядом с трапезной, выросшая в 1734 году над местом погребения Михея Радонежского; восьмигранная барочная Смоленская церковь (церковь Одигитрии), построенная, вероятно, архитектором Ухтомским в 1746–1748 годах на средства графа А. Г. Разумовского (предание связывало ее постройку с тайным браком императрицы Елизаветы Петровны с последним), обладает четырьмя широкими каменными лестницами, расположенными по периметру, и каменными балюстрадами.
