C'est l'église en pierre la plus ancienne du monastère (1422-1425), élevée sur la tombe du fondateur, Serge de Radogène. Et les pèlerins se pressent nombreux devant la châsse d'argent ciselé qui renferme aujourd'hui les reliques du saint, sous un rutilant baldaquin. Le trésor de la cathédrale est sans conteste son iconostase, ornée de 42 icônes d'Andreï Roublev et Daniil Tchiorny.