Între 1690-1695, Spătarul Mihail Cantacuzino a ridicat mai jos de Schitul Sf. Nicolae o mănăstire din piatră şi cărămidă, pe care a numit-o Sinaia, "după asemenarea Sinaiei cei mari" (Mănăstirea Sf. Ecaterina din Sinai), pe care o vizitase în 1681. El a construit o biserică având hramul Adormirea Maicii Domnului (numită astăzi "biserica veche" sau "biserica mică") şi un patrulater înconjurător de chilii, în formă de cetate, cu dimensiunile 30/40 m, cu ziduri groase şi înalte, în care se încadrează şi paraclisul Schimbarea la Faţă.
Partea zisă "nouă" a mănăstirii a fost ridicată între anii 1843-1846, şi cuprinde două corpuri de chilii şi Biserica mare. Este construită în prelungirea părții vechi a mănăstirii, şi formează un patrulater de aproximativ două ori mai mare decât cetatea veche.
Biserica mare, cu hramul «Sfânta Treime», a fost construită într-o primă formă, mai modestă decât cea de astăzi, în perioada anilor 1842-1846, în timpul stareţilor arhimandriți Ioasaf şi Paisie, din fondurile mănăstirii.
Pictura a fost realizată de D. Cătulescu. Este în plan triconc, având 30 m lungime, 15 m lăţime şi peste 25 m înălţime. Sub administraţia Eforiei Spitalelor Civile, care patrona averile mănăstirii, între anii 1897-1903 au avut loc mari lucrări de refacere, care au dat bisericii înfăţişarea actuală.
Arhitectul George Mandrea, cel care a condus aceste lucrări, a îmbinat stilul brâncovenesc cu cel moldovenesc. Pictura lui Cătulescu a fost înlocuită de una nouă, în stil neo-bizantin, în ulei mat pe fond aurit în imitaţie de mozaic, a danezului Aage Exner.
În pronaos, este pictat întâistătătorul Bisericii Ortodoxe Române din acea vreme, mitropolitul primat Iosif Gheorghian (1886-1893, 1896-1909), apoi regele Carol I (1866-1914), lângă o coloană din piatră ciobită care simbolizează regatul încă neîntregit al României; în partea cealaltă a uşii, regina Elisabeta (cunoscută şi sub pseudonimul literar de Carmen Silva) este pictată lângă singurul ei copil, prinţesa Maria, moartă în fragedă copilărie. Ultimul personaj este Mihail Cantacuzino, ctitorul părţii vechi a mănăstirii.
Mobilierul bisericii a fost sculptat în lemn de paltin şi stejar de Constantin Babic ajutat de elevii săi de la Şcoala de Arte şi Meserii din Bucureşti. Iconostasul, mobilierul naosului, inclusiv tronurile regale, sunt aurite.
Pe peretele din dreapta se păstrează epitaful brodat în mătase şi fir de aur între 1897-1900 de Anna Roth. Cele două icoane ruseşti din pronaos, "Sf. Serghie" şi "Sf. Nicolae", sunt darul făcut de Ţarul Nicolae II stareţului Mănăstirii Sinaia, Nifon Arhimandritul, în 1903, cu ocazia botezului prinţului Nicolae, fiul Regelui Ferdinand (1914-1927).
Biserica a fost electrificată în 1906.
Pe vremea stareţului Nifon Popescu, în 1892, pe latura sudică a incintei noi a fost adăugată clopotniţa, unde avea să fie instalat clopotul de 1700 kg, adus de la o altă ctitorie cantacuzină, Mănăstirea Colţea din Bucureşti. Are 15m înălţime şi baza cu laturile de 6 m.