Возле нового храма выделили кладовищенское место, где хоронили (по желанию) умерших до 1844 года. После 1844 года и до 1918 года возле церкви продолжали хоронить только ее священников и знатных жителей города. Рядом с Троицкой церковью похоронены ее священники: протоиерей Сельвейстр Липский (1824-1878), священник Яков Веселовский (1866-1892), священник Кирилл Мацкевич (1892-1898), священник Николай Нещеретов (1899-1903), протоиерей Николай Тучапский (1903-1911).
Построена в стиле классицизма. Южная, северная и западная ветви креста, с входом по каждой оси, завершены четырехколонные одноосьовими портиками упрощенного дорического ордера без триглифов во фризе. Свойственный классицизму монументализм достигается преобладанием массы стены, больших объемов при геометризме розчленовувань, малочисленности отверстий и максимально сдержанном декоре (упрощенного профиля ленточные наличники, полуциркульные ниши, пилястры тосканского ордера, фланкирующих западный вход, строгого профиля карниз с модульонами). Несоответствие классицистического типа сооружения, опирающегося на античные образцы функциональных требований (установление иконостаса) привело к необходимости устройства ниши вместо окна в портике.
Интерьер решен как единое целое, подчиненное щедро освещенном подкупольном пространстве. Средокрестье перекрыто купольным сводом, ветви креста – цилиндровыми. Характерной особенностью интерьера является завершение западной ветви креста конхой, стены которой декорированы пилястрами. В толще стены притвора устроены лестницы на дзвонний ярус колокольни.
В храме три престола: центральный – Святой Троицы, правый – Покрова Пресвятой Богородицы, левый – преподобного Сергия Радонежского. С 1829 по 1845 года при храме действовало духовное училище. На середину XIX века церкви принадлежало 65 десятин земли.
С приходом к власти большевиков в 1917 году ситуация кардинально изменилась, отношения Церкви и Советской власти стали враждебными. В 1917 году деятельность Свято-Троицкой парафии было прекращено, храм закрыли. В храме разместили различные конторы, склады, жилые помещения и даже конюшня. Иконостас был уничтожен, образы святых, писанные масляной краской, замазаны мелом.
В начале 30-х годов на месте священнического дома и части территории церковного кладбища построили школу (ныне школа №8), часть земель отдали под частную застройку. Так церковное кладбище прекратило свое существование.
В июле 1941 года Бердичев оккупировали немецкие войска. С установлением немецкой власти на оккупированных территориях был провозглашен закон о свободной действие православных церквей и различных религиозных общин. В Украине возникла Украинская автономная Церковь в рамках РПЦ. Почти сразу местные жители приступили к восстановлению Свято-Троицкого храма. Церковь возобновила деятельность 15 февраля 1942 года благодаря стараниям протоиерея Илариона и прихожан при помощи немецкой власти.
В 1943 году в разгар великой отечественной войны в Советском Союзе легализовали Московский Патриархат. После освобождения Бердичева от захватчиков с 19 августа 1944 года Свято-Троицкая парафия возобновила свою деятельность в составе Православной церкви Московского Патриархата, Троицкий храм передали религиозной общине. 5 августа 1945 года в память иконы Божией Матери Почаевской в Свято-Троицкой церкви была отслужена первая Божественная Литургия. С этого времени храм открыт для богослужения.