Одним из важнейших объектов острога являлась соборная церковь. В мангазейских документах можно встретить частые упоминания о единственном в кремле-детинце Троицком Знаменском храме, являвшемся по своему господствующему положению старшей культовой постройкой. Троицкий священник считался главным в мангазейской церковной иерархии.

Кроме своих культовых обязанностей, Троицкая церковь выполняла функции заимодавца, своего рода кредитного банка. Известен случай подобного рода, относящийся к 1742 году, когда таможенный голова Иван Толстоухов обратился к церкви с просьбой ссудить для государя 200 рублей, чтобы оплатить отпуск служивых людей.
Так как раскопки церкви происходили после изучения воеводского двора, съезжей избы, острожны и тюрьмы, то найти ее было нетрудно: она находилась в центре крепости, на сравнительно небольшой площадке, ограниченной с юга съезжей избой, с востока – Спасскими воротами, с запада – воеводским двором, с севера – зданием острожны. Кстати, это строго очерченное узкое пространство определило разворот церкви по оси юго-запад – северо-восток. В противном случае, т.е. когда строители, следуя канонам русской православной церкви, развернули бы церковь по направлению запад – восток, выход из церкви оказался бы у дворовой ограды, а алтарь у восточной крепостной стены.
Точное время закладки Троицкой церкви неизвестно. В 1603 году в наказной памяти воеводам Федору Булгакову и Никифору Елчанинову есть упоминание о том, что с ними в Мангазею отправлено «церковное строение» - образа, книги и колокола. Очевидно к этому времени церковь уже была заложена.
Неизвестно также кто ее строил. По церковной номенклатуре она была отнесена к разряду теплых шатровых храмов. Служба в ней шла круглый год.

От первого церковного строения не осталось никакого следа. Церковь сгорела при пожаре 1642 года, причем он был видимо, настолько силен, что постройка выгорела до нижних венцов.
Так как новый храм воздвигался строго по плану старого, то есть основание остановиться на нем в описании построек «острожного времени».
Оказалось, что старая церковь, имела два придела – Николая Чудотворца и Бориса и Глеба. Поэтому Боярская дума и Сибирский приказ в 1652 году, принимая решение о закладке новой церкви, распорядились, чтобы она была также с двумя приделами. Кстати, к 1670 году, церковь имела уже три придела – третий был посвящен Алексею божьему человеку, так как к этому времени на русском престоле утвердился царь Алексей Михайлович.
Очевидно вторую Троицкую церковь рубили из кедра.
В раскопе основание культового здания заняло 550 м кв. Церковь представляла трехчастную постройку прямоугольной формы, выполненную в необычной строительной манере. Среднее соединительное бревно между северо-восточным и юго-западным срубами перерублено четырежды для создания уступчивой формы.
При зачистке церковной постройки были обнаружены захоронения людей. Всего пять. Три из них – детские, и два захоронения с останками двух мужчин и женщины. Возраст захороненных людей – 27, 35,37 и 12 лет. В районе захоронения и на самих умерших не обнаружено никаких ритуальных предметов и украшений. Ни на одном из них не было даже нательного креста. Единственное, что лежало в гробах – это покойницкие кожаные туфли.

Первым изображением церкви Троицы надо считать ее рисунок на плане-знаке Мангазеи, с карты севера России Исаака Массы 1609 года. На рисунке показано возвышающееся над крепостью деревянное строение. Вряд ли это было изображением Спасской башни, так как чертеж Массы составлен раньше 1609 года, когда башни еще не существовало. Скорее всего, на рисунке показана Троицкая церковь. Ее венчают три главы.
Второе изображение кремлевской церкви имеется на карте-чертеже Земли Туруханского города С.У.Ремезова. Ремезов изобразил ее трехчастной шатровой постройкой, впрочем в обычном для тобольского рисовальщика плане. План и рисунок кремлевской церкви старой Мангазеи С.У.Ремезову вообще не могли быть известны.

Таким образом, ближе к истинному является изображение Троицкой церкви на русской карте И.Массы, так как оно было воспроизведено современником ранней церкви Мангазеи.
Значительно больше материалов сохранилось о внутреннем убранстве церкви Троицы, которая называлась также церковью Знамения пресвятой Богородицы. Сведения о приделах, алтаре, расположении икон исходят от воеводы А. Палицына. Главным образом считалась икона Успения пресвятой Богородицы.
Придел Николая Чудотворца находился с левой стороны между северными воротами. Следовательно, с правой стороны был придел Бориса и Глеба. В юго-западном углу, у дверей притвора, находилась большая глинобитная печь, от которой осталась только деревянная обводка. Это подтверждает, что церковь Троицы действительна была теплым храмом.

Вторая Троицкая церковь была выстроена в начале 50-х годов 17 века. Согласно дендрохронологическому анализу спила, взятого с западной стены окладного бревна, церковь воздвигнута в 1654-1655 гг, хотя указание о ее постройке было дано значительно раньше, в 1642 году. В челобитной, которую направили в Москву мангазейские посадские люди, было написано:
«В прошлом де во 150 (1642) году церковь живоначальные Троицы в городе сгорела».
Поэтому мангазейцы просили царя «пожаловать велеть тое церковь с приделы состроить государевой казною». Здесь же определено и количество приделов под старыми именами – «приделы Николая Чудотворца…да Бориса и Глеба». Однако прошло еще десять лет, пока последовало царское решение о возведении на казенный счет соборной церкви. Решение Сибирского приказа таково:
«Отписать в Мангазею к Корсакову, а велеть соборную церковь Троицы строить государевой казною…»

Данные реконструкции по результатам раскопок и письменным источникам:
Общая площадь строения и двух ее приделов такова – длина от входа до алтаря 23м, притвор – 7м, два помещения для служб – 13м, алтарь – 3м. По ширине – притвор(неизвестно), первое служебное помещение -8м, второе служебное помещение -10м. Придел Николая Чудотворца – 6х3,7м, придел Бориса и Глеба – неизвестно.
Так как на раскопе не найдено остатков колокольни, можно предположить, что она была вмонтирована в верхнюю часть здания церкви.