Трапезная церковь (1686-1692) — грандиозный памятник нарышкинского барокко. Основана царями Иоанном V и Петром I к 300-летию представления Сергия. Здание длиной 85 м и площадью 500 м² покрыто уникальным сводом без опор; наружные стены расписаны «в шахмат» охрой, лазурью и киноварью, что создавало эффект тканого ковра. Белокаменная резьба капителей и пилястр повторяет формы московского Теремного дворца. Центральный престол освящён в честь Сергия, приделы — Серафима Саровского и Иоасафа Белгородского.
В XVIII–XIX вв. Трапезная служила приёмным дворцом: здесь подписывались грамоты об учреждении Патриаршего резиденциального совета, принимали императрицу Екатерину II (1775) и Наполеона (он занял храм в сентябре 1812 г., но унес лишь серебряную ризу). В 1920-х палата стала актовым залом МДА; в 1948-1988 гг. — местом заседаний Поместных соборов РПЦ.
Реставрация 2009-2018 гг. восстановила цветовой колорит (21 слой живописи), заменённые в XIX в. столярные окна, и механизм «железной кровли» 1749 г. Сегодня трапезная вмещает 1000 человек; богослужения сочетаются с конференциями и рождественскими концертами академического хора.