Церковь преподобного Сергия Радонежского в Свияжске была устроена на втором этаже трапезной палаты, возведённой в период между 1570 и 1604 годами. Первоначальное здание, сложенное из тёсаных белокаменных блоков, представляло собой двухэтажное сооружение с одностолпными палатами в подклете и верхнем ярусе. Строительство осуществлялось артелью псковских мастеров, направленных по указу Ивана IV. Архитектурные особенности, включая планировку и строительные материалы, свидетельствуют о том, что здание изначально возводилось как монастырская трапезная.
В 1604 году верхний этаж был перестроен под храм с двумя престолами: главный престол освящён во имя преподобного Сергия Радонежского, северный — во имя преподобного Никона Радонежского. В XVIII веке добавлен придел во имя Иоанна Предтечи. Колокольня, изначально шатровая, впоследствии получила купольное завершение. На западной стене трапезной сохранилась надпись о освящении храма в 1604 году, что долгое время служило основанием для датировки памятника.
Архитектурный анализ выявил элементы, характерные для псковской строительной традиции, такие как килевидные кирпичные наличники и белокаменная кладка. Однако присутствуют и черты московского зодчества конца XVI века, включая позакомарное покрытие и резной портал. Это связано с тем, что монастырь являлся подворьем Троице-Сергиевой Лавры, и вероятно, к строительству привлекались специалисты из Подмосковья.
В ходе реставрационных работ 2013 года в алтарной части были обнаружены первоначальные полы из керамической плитки XVI века. Также сохранились фрагменты дубового настила в трапезной палате. На западной стене сохранилась фреска «Ветхозаветная Троица», выполненная в технике, близкой к иконописи XVI столетия. В интерьере выявлены следы первоначального иконостаса и алтарной преграды.
Здание неоднократно перестраивалось: в 1790-е годы пристроена трёхъярусная колокольня, изменено завершение храмовой части. В 2012-2018 годах проведена комплексная реставрация, в ходе которой раскрыты первоначальные архитектурные формы, включая позакомарное покрытие, скрытое под четырёхскатной кровлей XIX века. Вопрос о восстановлении исторического Красного крыльца остался нерешённым из-за недостатка архивных данных.