Die jetzige dreischiffige Hallenkirche mit polygonalem Chor und quadratischem Westturm wurde möglicherweise unter Einbeziehung älterer Bausubstanz 1608–1620 unter Leitung des Coburger Baumeisters Peter Sengelaub in gotischen Formen errichtet. Die starken Schäden durch einen Stadtbrand im Jahre 1621 wurden 1650 bis 1691 eventuell unter Mitwirkung von Valentin Ernst Heine beseitigt. 1890–92 ist durch den Hannoveraner Baumeister Hubert Stier (1838–1907) an den Chor das neogotische fürstliche Mausoleum angebaut und der Innenraum zeittypisch überprägt worden.

Der Innenraum des Langhauses wird von der barocken Raumgestaltung mit Holztonne über dem Mittelschiff, den hölzernen Pfeilerarkaden und dem prächtigen frühbarocken Orgelprospekt von 1680 auf der Westempore bestimmt. Hingegen strahlt der mit stuckierten Kreuzrippengewölben ausgezeichnete Chor eine gotische Formensprache aus, wobei der spitzbogige Triumphbogen vermittelnd wirkt. Den Altar schuf 1931/32 der Dresdner Bildhauer Alexander Höfer (1877–1937) unter Verwendung von Figuren und dem Mittelbild aus der Zeit um 1680. Die reich mit Akanthuszier versehene Kanzel ist möglicherweise ein Werk des Jacob Töpfer um 1680. Das Orgelwerk geht noch auf Christoph Junge (um 1644–1687) von 1678/81 zurück, wurde jedoch mehrfach verändert und erweitert.

Quellenangaben: Dehio Thüringen, 2003, S. 1154f.; http://de.wikipedia.org/wiki/Trinitatiskirche_(Sondershausen); http://de.wikipedia.org/wiki/Hubert_Stier; http://de.wikipedia.org/wiki/Christoph_Junge; http://www.kirche-sondershausen.de/trinitatis/orgel.html; http://de.wikipedia.org/wiki/Alexander_H%C3%B6fer