Степан Ковнир в 1763-68 гг. построил в монастыре один из последних памятников украинского барокко - каменную двуглавую Свято-Троицкую церковь. Она была поставлена на месте обветшавшей деревянной церкви прп. Сергия Радонежского. Резной позолоченный иконостас был изготовлен для храма предварительно, еще в 1759 г. Иконы писались в Лаврской мастерской. В 1853 г. Китаевская пустынь стала именоваться Свято-Троицкой. Тогда главный Троицкий храм был перестроен (стал пятиглавым). Художник И.Шептованый, совместно с лаврскими мастерами, заново расписал интерьер храма. К концу 19 в. храм несколько обветшал. Поэтому в 1892 г. он был основательно перестроен арх. В.Н.Николаевым. Но при этом был уничтожен пышный барочный лепной портал главного входа. В августе 1941 г. были повреждены крыша и купола храма. К 1982 г. храм частично восстановили. После ремонта в 1992 г. в Троицкой церкви установлен иконостас, выполненный по проекту арх. Р.Быковой, и храм открылся как приходской.