Важливим джерелом для відтворення рис костьолу є ікона св. Ігнатія середини XVIII ст., що нині зберігається у Волинському краєзнавчому музеї в місті Луцьк. На ній по один бік від святого зображено панораму забудови острова Луцьк, а по другий — комплекс Тринітарського кляштор), розташованого за рукавом Стиру Глушцем. Вона зберігалась у Бернардинському кляшторі міста Дубна, коли на неї звернув увагу і вперше опублікував волинський консерватор Збігнев Ревський. Вибір сюжету свідчить про те, що образ намальовано на замовлення згаданого кляштору. очевидно, з нагоди завершення будівництва костьолу, яке сталося в 1729 р., та мурованого корпусу кляштору. Верхньою межею терміну виготовлення ікони є час розбирання церкви Іоана Богослова, яку бачимо у Верхньому замку. Це — 1776 р.
Дана ікона є найдавнішим іконографічним джерелом, що зафіксувало зображення кафедрального костьол)’ св. Трійці та його оточення. На ній костьол св. Трійці розташований ліворуч від існуючого нині костьолу єзуїтів.
На іконі костьол св. Трійці має двосхилий дах, що перекриває стіни з високими прорізами вікон, завершеними півциркульними арками. Дві вежі західного фасаду мають високі веретеноподібні в кілька ярусів завершення. Одна з цих веж знаходилась на північно-західному куті споруди, а друга — на гребені даху Такою ж була сигнатурка над серединою головної нави. Можливо, що незвичні для бароко високі веретеноподібні завершення храмів на цій іконі є оригінальним запізнілим проявом маньєризму На малюнку ніщо не вказує на оборонний характер веж як і на сліди інших трьох веж, що могли стояти по кутах нав. Відмінність вигляду костьолу на малюнку від зафіксованого описом 1545 р. з чотирма вежами свідчить про значні перебудови костьолу, які велися з урахуванням зовсім інших потреб, ніж при Ю. Хвальчевському. Характер розташування трьох бічних вікон костьолу дає підстави припустити існування чотирьох пар опорних стовпів між павами.
Як можна судити з зображення на іконі, костьол був розташований на території нинішнього двору пам’ятки архітектури монастир шариток. Видно, що територія костьолу з заходу і півночі була огороджена муром. Перед костьолом єзуїтів зображена існуюча нині дзвіниця з трьома великими дзвонами. Мур між дзвіницею і костьолом св. Трійці мав у верхній частині бійниці або вікна будинку, що стояв за ним у дворі кафедри. Цей будинок нині існує, він з’єднаний з дзвіницею аркою. На північно-західному розі муру стояла висока вузька вежа невідомого призначення. Між нею і будинком існував вхід до кафедрального двору. Залишки вежі збереглися. Нині це скошений виступ північно-західного рогу П-подібного будинку, що носить умовну назву пам ‘ятка архітектури Монастир шариток.
У1865 р. «дом костьольний мурований» бувуруїиах, без даху й вікон. Це видно па панорамі Луцька, створеній А. Лещинським, А. Козарським і К. Крижанівським, що опублікована в журналі «Tygodnik ilustrowany» за 1872 p.
Двір монастиря шариток у листопаді-грудні 1990 р. був досліджений методом біолокації та шурфів київськими геологами О. Синозацьким і В. Тиссйком. На складеному ними кресленику костьол — це тринавна шестистовпна або восьмистовпна споруда з трохи вужчим від трьох нав пресвітерієм, орієнтованим на схід. Обриси плану західної частини костьолу простежувались гірше, а східна частина пресвітерію, можливо, перекрита будинком. За результатами цих досліджень, загальна ширина костьолу становить 18 м, ширина пресвітерію — 12 м. Імовірна довжина нав 26 м. Товщина фундаментних стін близько 2 м.
Мурований костьол св. Трійці за час свого існування також зазнавав руйнувань від пожеж. Відомі значні пожежі між 1587-
1616,1675-1680 pp., 14 червня 1724 p., 5 вересня 1781 р. Після пожежі 1724 р. костьол відбудовувався протягом 1725-1726 pp. під керівництвом архітектора М. Осецького. Пожежа 1781 р. стала останньою для споруди — її вирішили не відбудовувати. Можливо, тому що поруч, через вулицю, тоді стояв пустим величний костьол єзуїтів, який вони змушені були покинути після скасування їх ордену в 1773 р.