Церковь преподобного Сергия Радонежского состоит из нескольких построенных в разное время частей: собственно храма с приделом Преображения, возведенных в 1823 году, трапезной, которая до постройки храма принадлежала келейному корпусу XVII века, и западного корпуса, соединяющего трапезную с северо-западной башней ограды притвора-перехода, который, вероятно, появился одновременно с храмом, в первой четверти XIX века. Постройка башни в 1783 году рядом исследователей приписывается архитектору М. Ф.Казакову. Позднее она была использована при Сергиевской церкви как лестничная башня, через которую осуществлялся вход в церковь с улицы.
Кирпичная двухъярусная церковь преподобного Сергия Радонежского с приделом, выстроенная в стиле псевдоготики в начале XIX века, располагается в линии северной ограды монастыря. Ее объем примыкает к северному концу архиерейского корпуса, крайнее помещение которого служит теперь трапезной храма.
Выразительный силуэт церкви играет немаловажную роль в формировании живописного ансамбля монастыря и всего Коломенского кремля.
В объемной композиции памятника доминирует высокий четверик храма, глухой декоративный верхний ярус которого завершен высокой выпуклой четырехгранной кровлей. Маковичная главка с крестом на яблоке сейчас утрачена. Внутреннее деление здания на ярусы не совпадает с наружным. Так, второй ярус простирается от междуэтажного перекрытия над первым этажом до сводов, находящихся примерно на уровне окон третьего верхнего глухого яруса.
В оформлении фасадов храма использованы как характерное для классицизма ордерное членение стен, так и готические элементы декора окон. Между стрельчатыми окнами и на углах объема четверика помещены пилястры с белокаменными стилизованными капителями. На кровле, над пилястрами, помещены пирамидальные белокаменные пинакли – по три на каждом фасаде.
Вертикальные членения образованы белокаменным пояском в нишах между I и II ярусами, пышным белокаменным карнизом красивого профиля с модульонами, переходящим на фасады апсиды, придела, трапезной и корпуса. Венчающий антаблемент состоит из белокаменного карниза с хорошей профилировкой и кладкого фриза.
В художественном облике памятника был использован декоративный прием сочетания краснокирпичных стен с богатым белокаменным декором. Во второй половине XIX века фасады здания были оштукатурены, на окнах появились штукатурные тянутые наличники, внесены другие изменения, – все это исказило первоначальный облик храма.
