Redan på 1100-talet fanns i Helga Trefaldighets församling en mindre träkyrka som försvann för att ge plats åt byggandet av Uppsala domkyrka. Den nya kyrkan byggdes på en plats där vägarna korsades och var på så sätt lätt att nå. Man tror att Helga Trefaldighets kyrka stod färdig 1343. Det ursprungliga byggnadsmaterialet var gråsten – tegelpelarna och tegelvalven restes förmodligen något senare.
Tornet
Tornet, som byggdes på 1300-talet, karakteriseras av sin låga tornhuv och hade ursprungligen en hög och smal spira. Under 1500-talets mitt vandaliserades kyrkan men Johan III lät restaurera den. Tornets nuvarande kyrktupp tillkom efter den stora branden i Uppsala 1702.
Kyrkans målningar
Kyrkans målningar är från 1400-talet, med undantag för den stora målningen över huvudingången med motiv ur berättelsen om den barmhärtige samariern. Denna målning tillkom vid restaureringen 1905.
Glasfönstren i koret
Glasfönstren i koret är målade av den gotländske kyrkmålaren C W Pettersson och föreställer dels bibliska händelser och dels historiska personer, bland andra Erik den helige, den Heliga Birgitta, Gustaf II Adolf och psalmförfattaren Johan Olof Wallin.
Altaret
På altaret ligger sedan 1904 den ursprungliga stenaltarskivan med de fem vigningskorsen. Skivan dateras till sekelskiftet 1300. Ovanför altaret hänger H Sörensen Ringis relief från 1905. Reliefen föreställer den Heliga nattvarden. Sörensen Ringis har också skapat den ena av de två statyetterna, föreställande professor Erik Gustaf Geijer, som återfinns på sidorna om altarbilden. Den andra altarbilden föreställer skulptören Carl Eldhs mor och tillsammans är statyetterna tänkta att representera universitetet och bondesamhället.
Kyrkorgeln
Vid korets norra vägg finns också kyrkans orgel, som är byggd 1993.
Mariakoret
På nordsidan finns Mariakoret, som restaurerades 1993 och har målningar från 1400-talet. Koret används idag för dop och mindre gudstjänster. I valvet över altaret finns en målning av Marias kröning. En annan tydlig bild föreställer Marias och Elisabeths möte. På väggen, som förstördes i branden 1921, hänger Marias gyllene krona som liksom den blå triptyken är utförd av silversmeden Anna-Stina Åberg.
Södra koret
I Södra koret är målningarna inte lika tydligt bevarade men här finns en tavla över församlingens präster sedan slutet av 1200-talet. Längst ner i kyrkan hänger ett porträtt av ärkebiskop Nathan Söderblom, som var kyrkoherde i Helga Trefaldighets församling 1900-1912.
Vapenhus
Vapenhusen är två till antalet. Det äldsta ligger i norr och vetter mot Uppsala domkyrka. Här finns spår av intressanta figurmålningar i valven och även spår av en Rosenkransmadonna. Det västra vapenhuset, beläget under kyrktornet, är det som huvudsakligen används i dag. Kyrkklockorna är båda gjutna efter den stora branden 1702. Lillklockan dateras till 1909.
Gravvård
Slutligen finns en gravvård i södra kyrkväggen på utsidan av kyrkobyggnaden. Den läsvärda inskriptionen innehåller inga kända namn men graven är ändå väl värd ett besök.