Больничные палаты были построены в 1698 году. Они состоят из двух симметрично расположенных сводчатых палат, примыкающих с запада к церкви во имя вселенских святителей Василия Великого, Григория Богослова и Иоанна Златоуста. Первоначально четверик храма был увенчан двумя восьмериками, несущими главку. С востока находилась полукруглая апсида, с запада — небольшая трапезная.
С севера к Больничным палатам примыкает Царский дворец, сооруженный в конце XVIII века для членов царской семьи, приезжавших в обитель на богомолье. Во дворец ведет наружная лестница, скрытая с востока за высокой каменной аркадой.
Анфилада царских покоев размещалась над Больничными палатами. Престол церкви Трех Святителей перенесли на второй этаж, и храм, таким образом, стал дворцовым, с входом на северной стене. Присоединение церкви к дворцу и освящение ее совершилось в 1776 году.

Иконостас в церкви был деревянным, трехъярусным, с десятью колоннами, окрашенными светло-голубой краской. Храмовой иконе Трех Святителей соответствовал образ трех митрополитов Московских, святителей Петра, Алексия и Ионы.
В процессе реставрации корпуса Трапезных палат в 1950-х годах второй этаж над Больничными палатами, пострадавший во время Великой Отечественной войны, был разобран, и от Царского дворца остался только один зал с наружной лестницей.

В ходе ремонтно-реставрационных 2010-х годов работ храм был восстановлен.