Церква споруджена в стилі пізнього барокко і має в плані форму хреста. Округлі кути оформлені пілястрами та прямокутними колонами, стіни з великою кількістю ліпних прикрас завершуються високими карнизами. За композицією це однокупольна церква з чотирма напівкуполами. Вона виділялась витонченим декором, в будівлі відчувалась глибоко продумана пропорційність, близька до класичних врізців архітектури. Оригінальною особливістю на той час була вимощена чавунними плитами підлога, під якою відкривались потайні ходи у диканське підземелля та до склепу, де пізніше було поховано будівничого церкви П.В. Кочубея і його дружину Уляну Безбородько – сестру всесильного фаворита Катерини II графа О.А. Безбородька, чиїми руками фактично направлялася внутрішня і зовнішня політика царської Росії того часу.
Троїцька церква розташована в історичному центрі села, ходили до неї переважно козаки, а також багаті міщани, що жили неподалік. Найбільше прихожан збиралися тут у день Святої Трійці – тоді правився молебень в пам'ять "убієнних" походах і боях диканських козаків, з ризниці виносилась велика чаша з чистого золота з написом "За упокой Павла Кочубея 1786 г.". Поряд було відкрито й церковно-приходську школу. Школа славилась високою успішністю, і відмінниці навчання отримали "за отличные успехи и благонравие" іменні "Святі Євангелії" з рук і за підписом княгині О.К. Кочубей. Троїцька церква – єдина в Україні пам'ятка архітектури, тісно пов'язана з творчістю М.В. Гоголя, який часто бував у ній і змалював у знаметих "Вечорах на хуторі біля Диканьки" ("Ніч перед різдвом").