Zwischen 1488 und 1530 wurde auf einer Anhöhe außerhalb der Stadtmauern an der Stelle einer Kapelle eine Hallenkirche erbaut. Das dreischiffige, aus grauen Sandsteinquadern errichtete Kirchenschiff wird seit 1505 von einem mittelschiffbreiten Chor abgeschlossen. Im Norden erhebt sich der quadratische Turm von 1488 zwischen Chor und Langhaus. Nach Schäden im zweiten Weltkrieg wurde der Turm zwischen 1950 und 1953 unter Veränderung des Umgangs in den oberen Geschossen erneuert und von 1992 bis 1994 restauriert.

Den steinsichtigen Bau prägen mehrfach gestufte Schmuckportale mit leichten Spitzbögen an der Nord-, West- und Südseite, die teils kleine, gewölbte Vorhallen überspannen. Nach Brandschäden 1601 wurden 1631 das Chordach und 1633 das Langhausdach neu aufgesetzt und das Innere verändert. Den Innenraum dominiert die um 1651 eingezogene flache Kassettendecke, die im Gegensatz zum Netzgewölbe des Chores steht. Mächtige Rundpfeiler tragen die Empore. 1889 erfolgte eine neogotische Überformung der Ausstattung. Zu Beginn der 1960er Jahre legte man eine barocke Ausmalung des Schiffs frei und rekonstruierte diese teilweise. Gleichzeitig wurde eine zweite Empore an der Nordwand entfernt und die 1889 entstandene neogotische Kanzel durch die ursprüngliche Renaissancekanzel ersetzt.

Besondere Bedeutung erhält die Kirche auch durch den Reformator Justus Jonas, ein Freund Luthers, der hier von 1553 bis 1555 lebte und starb.

Die Kirche zur Heiligen Dreifaltigkeit gehört zu den über 440 Projekten, die die private Denkmalstiftung dank Spenden und Mittel der GlücksSpirale, der Rentenlotterie von Lotto, allein in Thüringen fördern konnte.