Таким образом, Алексей Михайлович исключил уподобление нового собора храму-усыпальнице рода Романовых – только что построенному собору московского Новоспасского монастыря (1645–1649 гг.). Образцом был избран несохранившийся кафедральный собор в Ярославле, построенный в 1643–1646 гг. В 1650 г. начались работы по разборке разрушенного храма и возведению нового. Они были завершены в очень короткие сроки, в 1652 г. собор освятили. Новый Троицкий собор намного превосходил размерами годуновский храм, о размерах которого (5×4 саженей, т.е. примерно 10,7×8,5 м) исследователям известно из упомянутой царской грамоты. Новый собор, площадью 32×34 м, был 40 м в высоту (с крестами); высота свода центрального купола составила чуть более 29 м. Так же как и предыдущий, соборный храм не имел системы отопления и предназначался для праздничных богослужений в тёплое время года. Повседневные богослужения совершались в тёплой церкви Рождества Пресвятой Богородицы и в других храмах обители. В отличие от других зданий Ипатиевского монастыря Троицкий собор середины XVII в. сохранился почти без изменений. Это – пятиглавый четырёхтолпный храм с иконостасом у восточной пары столбов. В основание собора заложен мощный фундамент глубиной до 3,5 м из многочисленных дубовых свай и огромных валунов. Храм стоит на высоком подклете, куда с южной, западной и северной сторон ведут двухстворчатые кованые железные двери. Помещения подклета имели хозяйственное назначение, за исключением помещения под западной галереей, в котором располагалась годуновская усыпальница. С восточной стороны к четверику примыкают три полукруглые апсиды, с остальных сторон он окружён закрытыми галереями с широкими окнами, декорированными килевидными наличниками. В четверик храма из галерей ведут три перспективных портала с килевидными архивольтами. На северном и западном живописные растительные орнаменты, южный до 2010 г. не был расписан. Колонны всех порталов украшены массивными резными бусинами, основание колонн многопрофильное и повторяет декор цокольного яруса интерьера галерей. В железные кованые двери со стороны галерей вмонтированы медные пластины с золотой наводкой, снятые с дверей годуновского собора после его разборки. Во входном проёме западного портала стоит также решётчатая железная дверь середины XVII в. Наружные стены четверика разделены плоскими лопатками на три прясла, которые завершаются вытянутыми в ширину закомарами. Поскольку северный фасад является главным, он имеет более богатый декор. Так, в аркатурно-колончатый пояс включены оконные проёмы и дополнительное (четвёртое) окно в центральном прясле.