Главным храмом Белопесоцкого монастыря является собор во имя Святой Троицы. Время его возведения определяется точно. Из Каширских приказных книг, хранившихся в Поместном приказе, известно следующее: «В Каширском уезде, в Туровом стану, монастырь Троицкий возле Оки на Белых Песках, а в монастыре церковь Живоначальной Троицы каменная, сооружения ее новоначатие 1569 года, сооружали при игумене Варлаамии, а сооружают ее на подклети, двери по верхние пороги, а в стенах окна, да у Троицы же придел собора Пресвятой Богородицы, да у Троицы под папертью придел, что лежит печальник и строитель старец Володимир». До настоящего времени неоднократно перестраивавшийся Троицкий собор дошел в сильно измененном виде. Первые значительны новшества были внесены в его apxитектуру еще в XVII веке. Обновлялся он и в самом начале XVIII столетия: «1702 году мая в 5 день обновлена и освещена Соборная церковь Св. Tpoицы при Царе и Великом Государе Петре Алексеевиче… тщанием и попечительством Троицы Сергиевской Лавры властей архимандрита Иллариона, келаря старца Мисаила и казначея старца Пахомия, прибывших на послушание в Белопесоцкий монастырь, строитель иеромонаха Варлаама Мехирева, он же и на колокол собирал и сам дал». Через семьдесят лет тщанием архимандрита Гедеона были обновлены иконы местного ряда иконостаса Троицкого собора.
Реставрация главного храма Белопесоцкой обители, относящаяся к середине XIX века, очень любопытна тем, что велась на средства всего лишь одного крестьянина. Им был житель села Озеры Коломенского уезда Максим Петрович Щербаков, в 1867 году давший деньги на новую штукатурку и фресковые росписи с позолотой. Кроме того, его же иждивением вместо ветхого иконостаса воздвигли новый пятиярусный резной, позолоченный червонным золотом. Иконы для верхних четырех ярусов писались «греческим письмом» с позолотой, а за клиросами поставили большие киоты, также позолоченные. Обновилось и убранство самого алтаря: новые престол и жертвенник сделали из дуба, обшив их кипарисовыми досками. Освящение отремонтированного собора по благословению митрополита Филарета совершил 9 июля 1867 года преосвященный Игнатий, епископ Можайский, викарий Московской епархии. Тем же крестьянином Щербаковым на украшение храма были пожертвованы: две бронзовые позолоченные хоругви с иконами, запрестольный семисвечник, семь подсвечников больших, два подсвечника малых, паникадило о 36 шандалах (подсвечниках), ковчег серебряный позолоченный, две серебряные позолоченные лампадки для масла, две лампадки под паникадило и Евангелие. Всего на возобновление собора М. П. Щербаков истратил больше 20000 рублей серебром.
Троицкий собор сильно пострадал во время апрельского наводнения 1908 года, когда разлившаяся Ока затопила Белопесоцкий монастырь. Кромка воды доходила тогда практически до уровня каменной ограды. Только в 1914 году, при игумене Митрофане монастырь смог произвести необходимые восстановительные работы. В Троицком соборе сделали новый пол из немецкой плитки, всю живопись промыли, а иконостас и главный купол собора вызолотили. Одновременно из Белокаменных плит устроили дорожки между храмами, к фруктовому саду и конному двору.
В 1932 году от монастыря началось строительство железнодорожного моста. Возводившие его заключенные до окончания строительства в 1934 году жили в Троицком и Сергиевском храмах, между которыми находилась гауптвахта. Выводили заключенных на работы под конвоем. В длинных телегах с откидными боковыми бортами, именовавшихся «грабарками», они возили песок для насыпи. Народ эту стройку прозвал «Донбассом». Троицкий собор внутри при этом перегородили, поместили внутри печки-«буржуйки», в окна вывели дымоходы, установили нары. Тут же в храме кололи и хранили дрова, даже порой жгли костры. Заключенные жили на нескольких ярусах, расположенных по стенам, середина собора была пустая. Устроили жилье и под галереей. Чуть позднее Троицкий собор превратился в клуб, в котором перед спектаклями выступала «Синяя блуза». Некоторое время в храме располагался и пионерский лагерь. Во второй половине XX века вдоль монастырской стены напротив Троицкого собора были построены гаражи для большегрузного транспорта. С течением времени соборный храм утонул в горах строительного и бытового мусора. Отходы не вывозились много лет, в связи с чем эти места оккупировали полчища крыс.
11 августа 1989 года было принято решение о создании в Троицком Бело- песоцком монастыре городского историко-культурного центра с гостиничным комплексом (ИКЦ ГК). Разработали обширную проектно-техническую документацию. Технико-экономические предложения использования обители в качестве ИКЦ ГК предусматривали, в частности, устроение «в главном зале Троицкого собора и в его алтарной части» концертно-выставочного зала. Три крытые галереи собора, на каждую из которых должно было вести отдельное крыльцо, предназначались для разнообразных выставок. В подклете храма предполагалось открыть видеосалон (в алтарной части), игровой зал (кегельбан, бильярд, игровые автоматы и др.), торговые киоски, кафе. В документации отмечалось, между прочим что Троицкой собор Белопесоцкого монастыря обладает самыми лучший акустическими характеристиками среди храмов Московской области.
После возобновления иноческой жизни в Белопесоцком монастыре начались восстановительные работы. Уже к маю 2002 года внешне отреставрированный Троицкий собор предстал во всем своем великолепии.
