Большая восточная церковь Покровского собора освящена в честь Святой Троицы. В 1840-е гг. она была расписана сюжетами из ветхозаветной книги Бытия: сотворение мира, история праведного Ноя, гостеприимство Авраама, исход праведного Лота из обреченного Содома. Свод церкви украсила композиция «Новозаветная Троица» (Сопрестолие) — Бог Отец, Бог Сын и парящий над ними в образе голубя Святой Дух. В ходе реставрационных работ эти росписи были счищены, стены побелены, а также реконструирован облик древнего тяблового иконостаса — таким образом церковь приобрела вид, который она имела в древности. В разгар антирелигиозной кампании 1929–1931 гг. интерьер Троицкой церкви, как и интерьеры остальных церквей собора, дополнили антиклерикальные изречения идеологов марксизма — эта мера помогла музейным сотрудникам избежать полного демонтажа храмового убранства.