Расположена вне оборонительной стены, к северу от Успенского собора, на уступе холма. Это небольшой по размерам (11х6,5 м) кирпичный двудольный храм состоит из квадратной в плане нави и полуциркульной апсиды с миниатюрным выступом ризницы. Оба объема перекрыты куполами с повышением в центре – скуфией. Кроме того, в конструкциях бань применен уникальный прием: они опираются на сомкнутый срезанный свод – своеобразно трансформированную в кирпиче деревянную конструкцию излома, благодаря чему Троицкая церковь занимает особое место в истории архитектуры Украины.

Годованюк О.М. «Памятники архитектуры и градостроительства Украины». - К.: «Техника», 2000 г., перевод с украинского.

В 1465–1475 г.г. в Зимненском монастыре была построена маленькая Троицкая церковь. Состояла она из квадратного помещения и полукруглой апсиды, повторяя, как своим планом, так и пространственной организацией волынские деревянные двудольные храмы. Главное ее помещение перекрыто куполом вполне оригинальное: барабан купола опирался не на подпружные арки, а на замкнутые срезанные своды, подобно залома в деревянной архитектуре. Этот прием открыл путь выкристаллизовывания оригинальной конструкции, что сыграло решающую роль в создании в XVII–XVIII в.в. настоящих архитектурных шедевров - Покровского собора в Харькове, Георгиевского собора Выдубицкого монастыря в Киеве и других.

«История украинского искусства». – К.: «Наукова думка», 1967 г., т. 2, перевод с украинского.

Надпещерная Троицкая церковь в плане однонефная, с полукруглой апсидой с востока и маленькой ризницей в виде небольшого выступа с юга. Длина храма по внешнему промеру - 10,4 м, высота интерьера до зенита купола - 8,4 м. Кровля на церкви первоначально была гонтовая, ныне - железная. Неф и апсида перекрыты куполами с возвышением – скуфьей. Они покоятся на сомкнутых срезанных сводах – на своеобразно транспонированной в камне деревянной конструкции залома. Эта конструкция открыла путь развитию типов храмов, у которых высотное раскрытие внутреннего пространства доведено до наивысшего совершенства. Благодаря этому маленькая Троицкая церковь занимает особое место в истории украинской архитектуры.

Интерьер её, с мягкими контурами арок, сводов, парусов и куполов, как и объемы, будто вылепленные скульптором, отличаются большой живописностью и уютом. В ее архитектуре нашло яркое воплощение народное понимание прекрасного.

Логвин Г.Н. «Украина и Молдавия». – М.: «Искусство», 1982 г., перевод с украинского.

Троицкая церковь находится вне пределов монастырского двора, к северу от Успенской церкви. Одна из двух церквей монастыря, а с конца XVIII в. использовалась как каплица.

Во время ремонтов 1860-1868 г.г. и 1876 г. изменены формы окон барабана: вместо прямоугольных сделаны круглые, прямоугольный входной проем на запад переделан на арочный, гонтовое покрытие заменено железным. Повреждения, нанесенные памятнику во время Великой Отечественной войны, исправлены в 1950-е годы (восстановлены крыши, окна барабана, заложено круглое окно с северной стороны барабана, пристроен тамбур). Небольшая бесстолпная, в плане однонефная постройка с полукруглой апсидой на востоке и небольшим выступом с юга. Неф и апсида перекрыты куполами с возвышением – скуфьей. Они лежат на сомкнутых срезанных сводах – на своеобразно трансформированной в камне деревянной конструкции залом.

«Памятники градостроительства и архитектуры УССР». – К.: «Будівельник», 1985 г., т. 2., , перевод с украинского.