Ca şi celelalte ctitorii ale spătarului Mihail Cantacuzino, biserica mănăstirii Sinaia, inclusiv paraclisul, au fost zugrăvite de la început de cunoscutul Pârvu Mutu, pictorul favorit al familiei Cantacuzinilor. În pictura bisericii cantacuzine predominau trei culori: roşu, galben şi fond albastru. Din pictura ce acoperă zidurile interioare ale bisericii se consideră ca fiind originale şi aparţinând lui Pârvu Mutu scenele ce decorează pridvorul bisericii, pictura din pronaos şi din naos, „Pantocratorul”. Deasupra uşii de la intrare în pronaos este zugrăvită Icoana hramului acestei biserici „Adormirea Maicii Domnului”.
Ulterior, datorită noilor necesităţi, s-a impus construirea unei noi biserici şi a unui număr mai mare de chilii. În incinta nouă, pe latura de răsărit a vechii incinte, este aşezată biserica mare închinată Sfintei Treimi. Biserica mare a fost construită din piatră şi cărămidă între anii 1842-1846, prin stăruinţa călugărilor care trăiau aici.
Deteriorată de mai multe ori, biserica a fost minuţios restaurată între 1898-1903, cu cheltuiala Eforiei Spitalelor Civile din Bucureşti, în timpul stareţului Nifon Popescu.
Biserica cea mare are un plan treflat, iar interiorul ei este divizat în trei părţi specifice locaşurilor de cult ortodoxe: pronaos, naos şi altar. Noua biserică, construită într-un stil arhitectural ce îmbină armonios, atât în interior, cât şi în exterior, vechiul stil moldovenesc cu elemente arhitecturale ale renaşterii brâncovene, este o construcţie-sinteză unică arhitecturală. În ansamblul său arhitectural, biserica mare se impune prin dimensiunile sale, prin armonia planului arhitectonic, ca o adevărată „Catedrala a Carpaţilor”.
Pictura iniţială a bisericii mari a fost executată de D. Cătulescu. Dacă pictorul D. Cătulescu, prin combinaţie de stiluri, reuşeşte un nou stil în pictura bisericii mari — „stilul românesc”, după lucrările de refacere efectuate bisericii mari (1898-1903), când i se modifică planul arhitectonic, este schimbat şi stilul picturii.
Pictura a fost refăcută de pictorul danez Aage Exner, unul dintre membrii echipei de restauratori veniţi în ţară în timpul regelui Carol I. Biserica mare a mănăstirii Sinaia a fost terminată de pictat în anul 1903 (o suprafaţă de aproximativ 2.000 metri pătraţi), iar în acelaşi an, cu ocazia resfinţirii bisericii, Exner a fost decorat cu „Medalia Refacerii”.
Bine executată ca tehnică, pictura bisericii mari reliefează studiul făcut de Exner la bisericile vechi, câştigând experienţă în pictura bizantină. El nu a reuşit însă să înţeleagă mesajul profund al picturii bizantine, acela de a scoate în evidenţă mai mult „omul transfigurat”, „duhovnicesc” şi mai puţin chipul „omului trupesc” (ca în picturile renascentiste). Culorile care predominau în pictura bisericii sunt: roşu, auriu mozaicat, albastru şi verde.
Clopotniţa aflată în partea de miazăzi a noii incinte a fost zidită din piatră din temelie în anul 1892. Turnul acestei clopotniţe adăposteşte clopotul Mănăstirii Colţea, din Bucureşti, adus la Sinaia în 1893, cântărind 1.700 kg. Este vorba de clopotul pe care spătarul Mihail Cantacuzino l-a dăruit Mănăstirii Colţea, o altă ctitorie a sa. Spătarul Mihail înzestrase şi ctitoria de la Sinaia cu un clopot, dar în timpul războiului din 1787-1788, mănăstirea a suferit grele pierderi, printre care şi clopotul donat de ctitor.
Corpul de clădire din partea de nord, dinspre pârâul Peleş a fost construit din piatră şi lemn, între anii 1840-1842, de către stareţul Ioasaf şi serveşte ca spaţiu pentru chilii şi cancelaria mănăstirii. Corpul de clădire din partea de sud a incintei noi a fost construit în anul 1847, prin osteneala stareţului Paisie.
Este o construcţie solidă şi impunătoare, zidită din piatră şi lemn, cu terasa pe latura sudică. La început, această clădire a servit ca loc de odihnă pentru pelerini (arhondaric), apoi ca adăpost pentru familia regală: aici au fost găzduiţi regele Carol I şi regina Elisabeta până la finalizarea lucrărilor de la Castelul Peleş (1883). (Agenţia Naţională de Presă AGERPRES)