Manastirska crkva, posvećana Svetoj Trojici pripada raškoj graditeljskoj školi. To je jednobrodna građevina, sa polukružnom apsidom širine broda na istočnoj strani. Uz apsidu se nalaze bočne prostorije pravougaonog oblika. Na središnjem delu se uzdiže kružna kupola sa osam prozora. Sa zapadne strane se nalazi velika priprata kvadratnog oblika sa dve bočne kapele pravougaonog oblika. Crkva je zidana tesanom sigom, sa elementima koji ukazuju na romanski način gradnje.
Unutrašnju dekoraciju manastirske crkve, čine freske. Carigradski i helenistički duh umetnika koji su ih radili obeležavaju sopoćanski živopis. Freske ostavljaju utisak čvrstine, stabilnosti, vedrine i svetlosti. Većina freski je komponovana simetrično, u obliku trougla sa naglašenom središnjom vertikalom, obično figurom Isusa Hrista. Pozadina na freskama bila je zlatna, a iscrtane linije po njoj su dočaravale sjaj mozaika, a uokviravali su ih reljefni ukrasi, nekad obojeni crveno, plavo i zlatno.
Najznačajnije freske sopoćanske crkve se nalaze u naosu i oltaru. Veliki praznici, događaji iz života Isusa Hrista i dve liturgijske kompozicije prekrivaju, uz pojedinačne figure svetitelja, sve površine centralnog dela crkve. U pripratu crkve, na freskama koje su nastale istovremeno, daje se prednost pripovedanju o precima Isusa Hrista i vaseljenskom crkvenom saboru, kao i starozavetna priča o pravednom Josifu i Strašni sud.
Freska Uspenje Bogorodice svakako spada među najmonumentalnija dela srednjovekovnog evropskog slikarstva. Ova freska pokriva čitavu površinu od 40 kvadratnih metara zapadnog zida crkve. Kompozicija freske Uspenje Bogorodice i simfonija žutih, plavih, zelenih i ljubičastih boja ostavljaju najjači utisak. Freska prikazuje bol apostola, arhijereja, jerusalimskih žena, anđela i Isusa Hrista zbog smrti Bogorodice. Monumentalnost freske je izražena i nenametljivim iskazivanjem tuge. Apostoli samo lakom priklonjenošću, jedva primetno podignutom obrvom ili nabranim čelom, bez grča i lažnog patosa ispoljavaju svoj bol.
Svojom lepotom pleni i freska Veliko rođenje Hristovo koja se nalazi visoko u glavnom delu crkve. Inspiracija za ovu fresku je nađena u tekstovima jevanđelja, apokrifa i sinaksara. Svečani prizor Hristovog rođenja je svetao, lako crtan i živo obojen. Donji deo kompozije freske pokazuje dva pastira koji razgovaraju o čudnom rošenju u njihovoj pećini. Snažni kontrasti tople crvene haljine mlađeg pastira i hladno sivo-plavo krzno starog pastira, antički sklad proporcija, prirodnost njihovih stavova učinili su fresku Veliko rođenje Hristovo nezaboravnim ostvarenjem srpske srednjovekovne umetničke baštine.
Živopis crkve Svete Trojice ubraja se u najimpresivnija ostvarenja vizantijskog fresko-slikarstva, koji na monumentalan način dočarava ličnosti i događaje iz hrišćanske istorije. Sopoćanske freske predstavljaju vrhunac jednog klasičnog stila čije su osnovne kategorije bile harmonija i lepota i smatra se da je reč o najvećem dometu slikarstva za vreme kada su freske nastale. Ono što su umetnici u Sopoćanima uspeli da u linearnosti i koloritu oslikaju sreće se još jedino u italijanskoj renesansi.
Danas su Sopoćani jedan od najznačajnijih srpskih kulturnih spomenika. Zbog izuzetne vrednosti manastir je, u okviru celine Stari Ras sa Sopoćanima, Unesko uvrstio na listu svetske kulturne baštine 1979. godine.
