Двухэтажный собор, построенный в «византийском» стиле[1]. Ширина собора 25 метров, длина 47 м, высота от основания до верха креста центральной из пяти глав — 51 м. Снаружи над двухэтажными абсидами располагались две большие фрески, изображающие библейские сюжеты — «Явление Аврааму трех странников» и «Чудо Архистратига Михаила в Хонех».
С западной стороны от храма располагалась трапезная. Четыре придела, на верхнем этаже располагалась Свято-Троицкая церковь с приделом Преображения. Пятиярусный иконостас с образами, написанными мещанином из Великого Устюга — Василием Холмогорцевым. Рядом с собором располагалась каменная многоярусная колокольня (1773 года постройки). Собор проектировал холмогорский мастер Евграф Алексеевич Либеровский (по другим сведениям — Фёдор Либеровский).
Заложен 11(22) октября 1709 года. В 1716 году освятили нижний, зимний храм, после чего строительство остановилось, так как в 1714 года Пётр I выпустил указ, согласно которому каменное строительство, в том числе и культовых зданий, было запрещено везде, кроме Санкт-Петербурга[2].
13 сентября 1928 года было принято решение о сносе и в 1929 году здание было разрушено[4]. В 1929—1931 гг. из добытого путем разборки Свято-Троицкого храма кирпича построен Архангельский театр драмы имени М. В. Ломоносова. Согласно историческим планам кафедральный собор располагался на месте нынешней площади перед фасадом театра. Отдельно стоящая колокольня была расположена западнее — на красной линии Набережной Северной Двины.
23 августа 2009 года Патриарх Московский и всея Руси Кирилл совершил Божественную литургию на месте разрушенного в 1929 году Свято-Троицкого кафедрального собора, в богослужении участвовало более 12 тысяч человек[5]