Не сохранились изображения или описания первого известного храма на территории комплекса – церкви Сергия Радонежского, возведённой на средства киевского генерал-губернатора Д.М. Голицына в 1716 г. по благословению местоблюстителя Патриаршего престола митрополита Рязанского Стефана (Яворского). Одновременно были построены деревянные кельи и храм во имя Трёх святителей. Между 1752 и 1761 гг. эта церковь была перестроена на средства императрицы Елизаветы Петровны при содействии печерского архимандрита Луки (Белоусовича) по проекту Петра Ивановича Неёлова. В то же время под одной с ней крышей был возведён деревянный храм во имя Двенадцати апостолов. В 1763–1767 гг. Степаном Демьяновичем Ковниром на месте обветшалой Сергиевской церкви был поставлен каменный Троицкий храм с приделом во имя Сергия Радонежского. Средства на строительство пожертвовали сын Д.М. Голицына, Алексей, староста И. Сичевский, мещане В. Гудима и К. Сулима. Этот прямоугольный в плане трёхапсидный двухсветный шестистолпный пятиглавый храм, с главами на высоких барабанах по сторонам света, представлял собой пример украинского барокко. В начале ХIХ в. из-за ветхости деревянных построек и увеличения числа паломников было необходимо ремонтировать деревянные церкви и приступить к каменному строительству. В 1819 г. в деревянной церкви Двенадцати апостолов побелили интерьеры и обновили престол (освящён 18 июня того же года). В 1829–1837 гг. по проекту Андрея Ивановича Меленского архитектором И.А. Богдановым была сооружена четырёхъярусная колокольня в стиле ампир, которая стала главной доминантой архитектурного ансамбля пустыни. Парадный вход на территорию пустыни вёл в большое помещение первого яруса; с внутреннего и внешнего фасадов оно было оформлено четырёхколонными портиками. Над ними поднимались три яруса, высота которых уменьшалась. В 1838 г. мастер Иван Данцир отремонтировал часы, по преданию уже давно находившиеся в пустыни. Часы разместили на третьем ярусе колокольни, дополнительно для них было изготовлено два медных колокола: один отбивал каждые полчаса, а другой – час. По проекту А.И. Меленского и под личным присмотром И.А. Богданова в пустыни на месте ранних деревянных зданий были построены в классическом стиле церкви Двенадцати апостолов и бесстолпная, зального типа Трёх святителей с трапезной (1832–1833 гг.), а также хозяйственные и жилые помещения. Когда в 1832 г. деревянный храм Трёх святителей перенесли в соседний Голосеевский в честь Покрова Пресвятой Богородицы монастырь, весь комплекс обители оказался выполнен в стиле классицизма. На панорамном полотне Владимира Донатовича Орловского «Днепр» (1882 г.; Таганрогская картинная галерея) видно, как храм с колокольней органично вписывался в ещё не искажённый современной промышленной и жилой застройкой пейзаж высокого, заросшего густым лесом правого берега Днепра. В 1840 гг. Троицкая церковь была расширена, к западному фасаду достроено два боковых помещения, установлено три новых верха. В 1843–1844 гг. по проекту архитектора Павла Ивановича Спарро был построен кирпичный братский корпус, имеющий со стороны двора два этажа, а со стороны прудов – три, что позволило органично вписать здание в окружающий сложный рельеф. Корпус, выполненный в стилистике позднего классицизма, практически утратил первоначальный облик в результате реконструкции 2004 г. Комплекс сооружений исторического ядра пустыни расположился шестиугольником вокруг церкви Святой Троицы.