Первым в 1784 году был освящен придел в честь Введения в храм Пресвятой Богородицы, находившийся в правой части «зимнего» храма.
Центральный вход в храм находился с западной стороны. Над ним возвышалась многоярусная колокольня типичной древнерусской композиции «восьмерик на четверике». Открытый аркадный ярус звонницы имел восемь сквозных арок с расположенными в них восемью колоколами полной октавы. Башня была увенчана пологим куполом, позолоченной луковичной главкой на небольшом барабане, называемым в народе «шейкой», и крестом. Четверик, близкий по форме вытянутому вверх кубу, и восьмерик, разделенные карнизом и четырехскатной крышей, вместе зрительно смотрелись немногим выше главного четверика «летнего» храма, но при этом ни одна из этих частей зрительно не подавляла другую, оставаясь на равных правах.
Одноэтажный фасад зимней части храма с южной и северной стороны был оформлен тремя большими оконными проемами с двойными овальными в верхней части рамами, что смотрелось необычно и эффектно. Украшением для окон служили фигурные наличники. Четкие контуры рельефов подчеркивали гладкую поверхность беленых стен, на фоне которых они выступали.
Из-за опасности возникновения пожара при топке четырехугольной печи, «одетой» в металлическую рубашку, пол был выложен чугунными плитами.
Двухскатная, покрытая листовым железом крыша покоилась на угловых пилястрах и была увенчана золоченой луковичной главкой на небольшом барабане и крестом. Внутреннее пространство храма раскрывалось последовательно, по мере продвижения к восточной его части. Два придела с алтарями и два Престола отделены от народа иконостасами.
Там, как правило, проходили постоянные службы. Второй придел во имя Святителя и Чудотворца Николая (в левой части храма) был освящен в 1785 году. Здесь крестили новорожденных, отпевали усопших, служили поминальные молебны. Правый и левый приделы разделены большой аркой с дверью в летнюю часть храма.
Одноэтажный четверик «летнего» крестово-купольного храма освятили в 1801 году во имя Живоначальной Троицы.
К четверику с восточной стороны примыкала пятигранная алтарная апсида с куполом, увенчанным небольшим барабаном и позолоченной главкой с крестом. Единый ритм одинаковых по форме окон, их размер, лаконичные формы деталей карнизов придавали фасаду пластичность и живость. Четырехскатная крыша четверика переходила в пологий купол с восьмигранным барабаном и окнами, по форме повторявшими окна нижних ярусов. Как и на колокольне, небольшой барабан имел позолоченную главку луковичной формы с крестом.
Внутреннее подкупольное пространство, насыщенное светом, проникающим сверху через окна барабанов и двуярусные окна с северной и южной сторон, впечатляло внушительностью и простором, блеском золота и серебра икон высокого иконостаса на березовом фоне стен.
Автор путевых заметок «На пароходе от Тобольска до Томска» («Сибирская газета», 1885 г.) писал:
О Троицкой церкви писал и Капитон Михайлович Голодников, редактор неофициальной части «Тобольских губернских ведомостей», побывавший в Сургуте в конце лета 1885 года:
«Каменная церковь со вновь строящеюся каменною вокруг ее оградою – довольно приличной архитектуры и как по наружному, так и по внутреннему устройству могла бы занять не последнее место в любом губернском городе: золоченые через огонь и горящие, как жар на солнце, купола, кованого серебра напрестольные одеяния и несколько больших местных серебряных под золотом икон составляют приношение известного благотворителя Сургутского края И. Туполева».
В ХХ веке Градо-Сургутская Свято-Троицкая церковь, заложенная в 1781 году и освященная в 1801 году, была закрыта решением Президиума Тобольского Окружного исполнительного комитета от 12.03.1930 г. (протокол № 96, 36). Все церковное имущество было описано и оценено в сумме 10 050 рублей, в том числе стоимость восьми колоколов составила
1 378 рублей 28 копеек.
В начале XX века священником Градо-Сургутского Троицкого собора был Петр Бердышев
«…лучшая постройка – церковь сургутская, каменная и довольно богатая. Главный жертвователь этой церкви – дом Туполевых. Говорят, что серебра, пожертвованного ими, в этой церкви до нескольких пудов».