Švč. Trejybės bažnyčios ir bernardinų vienuolyno ansamblis pastatytas 1774–1787 m. pagal žinomo to meto architekto Martyno Knakfuso projektą. Pereinamasis laikotarpis architektūroje, kai puošnųjį baroką keitė grakštusis klasicizmas, atsispindi ir ansamblio stiliuje. Mūrinė bažnyčia Troškūnuose buvo pastatyta 1789 m.
Bažnyčia vėlyvojo baroko stiliaus, lotyniško kryžiaus plano (42,7 × 16,8 m), bebokštė. Turi 7 altorius. Vargonai – seniausi Anykščių krašte. Šventoriaus tvora mūrinė, dalis metalinė. Jame stovi už bažnyčią aukštesnė mūrinė varpinė (pastatyta 1803 m.), kurią brandaus klasicizmo stiliumi projektavo Vilniuje gyvenęs italų kilmės architektas Pjetras de Rosis. 1894 m. per remontą įgavo eklektinių bruožų.
Viename iš altorių yra malonėmis garsėjantis Dievo Motinos paveikslas – „Stebuklingoji Troškūnų madona – Rožančiaus karalienė“. Skvere prie bažnyčios 1996 m. pastatytas paminklas „Vartai išėjusiems ginti Tėvynės“ – Algimanto apygardos Lietuvos partizanams (skulptorius Jonas Jagėla, architektė Audronė Kaušinienė).