Свято-Троицкий собор — сердце Лавры, построенный в 1422-1423 годах игуменом Никоном над гробом преподобного Сергия Радонежского. Белокаменный четырёхстолпный храм с единственной главой сохранил строгие формы раннемосковского зодчества: тройной пояс резных «плетёнок», килевидные закомары, едва выступающие апсиды. После освящения сюда были перенесены мощи Сергия; над ракой в 1550-х Андрей Рублёв написал икону «Троица», позднее ставшую символом русской духовности. В 1548 году к южной стене пристроили Никоновский придел; в 1623 году он получил нынешний вид, образуя с главным объёмом цельный архитектурный ансамбль. Собор пережил 16-месячную осаду 1608-1610 гг. и пожар 1746 г., когда расплавились свинцовые покрытия; во время секуляризации 1920-х он был закрыт, но превращён в музей, что сохранило уникальный иконостас и фрески XV–XVII вв. Первое богослужение возобновилось 16 апреля 1946 г. Сегодня собор вмещает богослужения патриаршего чина, ежегодный крестный ход к дню памяти Сергия и акафисты перед ракой. За последние 15 лет проведены комплексные реставрации: усиление фундамента микросвайной решёткой, лазерная очистка резьбы, позолота шлемовидной главы листовым сусальным золотом по технологии XVII в. Собор является объектом всемирного наследия ЮНЕСКО и главной паломнической целью Золотого кольца.
В интерьере привлекают внимание серебряная рака (1730-е), иконостас с царскими вратами серебряного литья (1643) и фигурные киоты работы ризничих мастеров Лавры. На стенах — роспись 1635 года, дополненная стенным иконичным письмом XIX в.; отдельные композиции, скрытые поздней побелкой, раскрываются реставраторами и сейчас. Учёные отмечают «акустический феномен» собора: шёпот у северного пилона слышен у южного — эффект, связанный с геометрией сводов. В 2024 г. завершён проект цифровой фотограмметрии — впервые каждый квадратный сантиметр кладки оцифрован для мониторинга деформаций.
История собора тесно связана с государством: здесь хранились грамоты Ивана IV, в 1585 г. царь Фёдор Иоаннович принимал присягу казачьих атаманов; в 1733 г. Анна Иоанновна вручала монастырю алмазы для оклада иконы. Собор посещали Пётр I, Екатерина II, Александр I, Николай II. В XX веке здесь молились Сергий (Страгородский) и Алексий II.