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 работ 2010-х годов храм был восстановлен.