Церква побудована в готичному стилі і сьогодні зберегла тринавне планування з напівкруглими вівтарними виступами, апсидами на східній стороні. У першій половині XVII століття було добудовано три каплиці. Перша, розташована праворуч від головного входу, каплиця Благовіщення Пресвятої Богородиці, була побудована на кошти Януша Скумин-Тишкевича (1570-1642), нащадка знатного графського роду Тишкевичів. У підземеллях каплиці похований батько засновника, новогродському воєвода Теодор Скумин, сам засновник і його дружина Барбара Нарушевич, яка померла в 1627 році. У каплиці збереглося її мармуровий надгробок роботи італійських майстрів. У наші дні в цій каплиці постійно проходять Богослужіння у візантійському обряді.
Друга каплиця що розташована зліва від головного входу Святого Луки, була побудована в 1622 на кошти Євстафія Корсак-Глибоцького. Крім самого засновника, в крипті під каплицею покояться його сини Іван і Григорій. До цього знатного роду Корсакова відносяться і архімандрит віленський Отців Василіян обителі Рафаїл Микола Корсак (1601-1640), пізніше – протоархимандрит Василіянського Чину, Київський Митрополит католиків Східного обряду.
Третя каплиця – це Воздвиження Чесного Животворящого Хреста Господнього. Засновником цієї каплиці з гробової сімейної криптой в 1628 був писар Великого князівства Литовського Ян Коленда. У церкві збереглися цінні надгробки. Унікальною пам’яткою епохи Ренесансу в Литві є надгробок Віленського бургомістра Офанасія Браги і його сина Антонія з гербовим щитом, написом на кирилиці і багатим рослинним орнаментом, датованим тисячі п’ятсот сімдесят шість роком. Привертає увагу надгробок сестер Єленський з сентиментальною написом 1758 року. В 1670 значні кошти на відновлення церкви виділили Великий гетьман Литовський Пац і головний скарбник Ієронім Крішпін Кіршенштейн, зокрема, на встановлення вівтаря Святого Йосафата Кунцевича.
Після пожеж 1706, 1748 і 1760 церква значно перебудували. Реставраційними роботами керував відомий віленський архітектор Йоганн Хрістоф Гляубіць. Тоді церкву подовжили, збільшили вікна, збудували дві башти на східному фасаді. Церква стоїть посеред двору, оточеного триповерховими монастирськими будівлями кінця XVIII – початку XIX століть.
Цінною архітектурною пам’яткою Віленського монастиря, безперечно, є вхідні ворота монастиря з вулиці Остробрамської (Aušros Vartų). Вони були побудовані згідно з проектом Йоганна Крістофа Гляубіця в 1761 з триповерховим фасадом в стилі пізнього бароко, що межує з рококо.
У 1845 році в колишні монастирські приміщення переводять православну семінарію. У 1867-1869 році під керівництвом російського архітектора Миколи Чагіна починається велика перебудова Василіанського комплексу. В першу чергу намагалися змінити зовнішній вигляд церкви Святої Трійці. Було перебудовано вежі, зроблені арки на фасаді, побудований дерев’яний купол згідно з традицією православної церкви. Але найзначніші роботи проводилися в монастирських будівлях. Залишили тільки зовнішні стіни, внутрішній простір було перебудовано.
З червня 1923 року в церкві Пресвятої Трійці в святкові дні поновлюються греко католицькі богослужіння, а в стінах монастиря знаходять притулок цілий ряд організацій, яким василіани знімають приміщення – Союз Польських Літераторів, Польське туристично краєзнавче Товариство, Білоруське наукове товариство, Білоруський музей і Білоруська гімназія.
Під час радянської влади закривають церкву, а монастирські приміщення віддає Педагогічному інституту Вільнюському філії Каунаській політехніки, який згодом стане технічним університетом. У церкві були влаштовані майстерні, а потім вібротехнічна лабораторія. Сліди від обладнання яких до сих пір збереглися на підлозі і стінах церкви. Старі стіни здригалися від вібрацій, вівтар був знищений, каплиці і гробниці осквернені.
У 1991 році уряд незалежної Литви повернув василіанам церкву Пресвятої Трійці і легалізував діяльність греко католицької Церкви, як одну з дев’яти традиційних конфесій в Литовській Республіці. Після довгих років терпіння, скорботи і жахливих переслідувань, отці Василіяни проповідують Слово Боже в храмі Пресвятої Трійці.
З історією монастиря пов’язані імена святого Йосафата Кунцевича, Архиєпископа Полоцького, а також великого реформатора Василіанського чину Йосипа Велямина Рутського.
Святий Йосафат Кунцевич народився в 1580 році у Володимирі Волинському, отримавши хресне ім’я Іван. Його батько Гавриїл хотів, щоб син в майбутньому став купцем, тому віддав його вивчати науку. Однак, ще в дитинстві хлопець, молячись перед Христовим розп’яттям в церкві, отримав з нього в своє серце чудодійну іскру, яка на все життя запалила його безмежною любов’ю до Бога і Церкви.
У 1604 році, на 24-му році життя, Іван Кунцевич вступив до монастиря Святої Трійці у Вільні і отримав чернече ім’я Йосафат. Не маючи в монастирі духовних лідерів, ні доброго прикладу, Йосафат звернувся до літургійним книгам і правилам Святого Василя Великого, щоб в них знайти покажчики на дорозі до святості. Приклад ченця Йосафата незабаром почав надихати інших юнаків, які покидали мирське життя і вели спосіб життя, який вів Йосафат. Серед них був і молодий богослов Велямин Рутський, який згодом разом з Йосафатом став реформатором Василіянського Чину.
У 1609 році Йосафат був висвячений на священика. У 1613 помер Митрополит Іпатій Потій і на його місце обрали В. Рутського, а ієромонах Йосафат став ігуменом монастиря Святої Трійці, де вже проживало понад 50 ченців. Все з більшим завзяттям Йосафат працював над оновленням чернечого життя, а також вів старанну працю серед мирян, навчаючи їх істин віри і закликаючи до церковної єдності.
Під час навчання в грецькій колегії, після довгих коливань, Рутський прийняв тут східний обряд, хоча і знав про сумний стан Української Церкви. У цьому рішенні, на нього вплинув розмову з Папою Климентом VIII, який перед тим привів Українську Церкву до єдності зі Вселенською Католицькою Церквою. У 1603 Рутський закінчив богослов’я в Римі, і з волі Папи поїхав до Білорусі, де повинен був працювати над закріпленням тільки здійсненого Союзу.
Перебуваючи в Римі він представив Святішому Отцеві програму з’єднання Церков. Крім східних гілок латинських чинів, він запропонував ще й реформу ордена. Повернувшись до Вільнюса, Рутський застав свого друга Кунцевича в Святотроїцькому монастирі, як ченця Йосафата. Святість цього молодого монаха захоплювала Рутського. Він тоді зрозумів, що стан Української Церкви відразу покращиться коли виховається на його прикладі молоде покоління ордена.
Отримавши від Христа покликання 7 вересня 1607 Іван Рутський вступив до монастиря Святої Трійці у Вільнюсі. На наступний день прийняв чернечу рясу і нове чернече ім’я Йосип з Митрополитом Потія. Він склав монаші обіти 1 січня 1608 і випробував незвичайне спокій, переконавшись, що грецький обряд і Українська Церква стали йому рідними.
Помер Митрополит Рутський 5 лютого 1637 у Дермані. Поховали його в Вільнюсі, звідки в 1655 році московські війська вивезли його труну в невідоме місце.
