Свято-Троицкий Зосимо-Савватиевский собор сооружен в 1859 году по проекту архангельского губернского архитектора А. Шахларева и освящен в 1866 году. Он стал последней крупномасштабной постройкой монастыря. Собор возник в результате неоднократной перестройки Зосимо-Савватиевского придела Спасо-Преображенского собора.

Здание возведено над проездной аркой. Венчает его массивная глава на барабане.

Четырьмя столпами храм разделен на три нефа. Главный алтарь, находящийся в центральном нефе храма, посвящен Пресвятой Троице, По сторонам от него находились два придела: северный был освящен в честь святого благоверного князя Александра Невского, южный — в честь преподобных Зосимы и Савватия. Стен между престольным храмом и приделами не было. Иконостасы составляли единое целое и заполняли всю восточную стену собора.

В южном приделе стояли раки с мощами преподобных Зосимы и Савватия. Здесь молебном у мощей основателей обители братия начинала каждый новый день, сюда стремились многочисленные паломники.

В 1861 году интерьер храма был украшен богатым резным позолоченным иконостасом, созданным московским мастером Астафьевым. Иконы для него писались в Троице-Сергиевой лавре. В 1873—1876 годах своды храма были расписаны.

В лагерное время в соборе размещалась 13-я карантинная рота. Здесь от нескольких недель до нескольких месяцев находились все прибывшие в лагерь заключенные. В 40−50-х годах века XX в храме размещалась столовая Учебного отряда Северного флота.

Сейчас в соборе ведутся реставрационные работы. После их завершения он станет основным действующим храмом обители.