Opførelsen af Trinitatis kirke med Rundetårn er påbegyndt i 1637 af den byggeglade Christian IV med Hans Steenwinckel den Yngre som arkitekt. Tårnet stod færdigt i 1642, men kirken blev først indviet i 1656 efter kongens død. Den var beregnet til studenterne på Regensen og tilhørte Københavns Universitet indtil 1869. Det berømte tårn, beregnet til observatorium, er et bygningsværk uden sidestykke i arkitekturhistorien. 15 meter tykt med en bred sneglegang indvendig, der er egnet til både gående og kørende trafik. På ydersiden pilastre hele vejen op ad tårnet til en rundbuet frise. Vinduerne mellem pilastrene er rundbuede tvillingevinduer i en let tilspidset niche. Altså forældede romanske og gotiske elementer langt ind i renæssancetiden. De øverste vinduer er lidt mindre, idet de skulle indpasses i frisens buer. Indskrift med kong Christians monogram og året da tårnet stod færdigt.

Udsigten over København fra Rundetårn (på Rundetårns websted).

Portalen i tårnet er tilføjet lidt senere. Den bærer monogrammer af både Frederik III og Christian V. Murværket på tårn og kirke er opført i et mønster af røde og gule Flensborgmursten (tyndere end normale mursten). Kirken står på en granitsokkel og er opført som skib og kor i et med en tresidet korafslutning. Overetage til universitetsbiblioteket (flyttede væk i 1861). Stræbepiller mellem fagene. Hvert fag består af et højt, let spidsbuet vindue og foroven et mindre vindue. Vinduerne foroven var oprindelig firkantede, men de blev udskiftet o.1869 af de nuværende, i samme stil som på tårnet. Den kobbertækkede tagrytter med kirkens klokker kom senere, den er fra 1731.

Kirkerummet består af tre lige høje skibe med ottekantede søjler der bærer de smukke hvælvinger. Næsten alt kirkens inventar gik tabt ved bybranden i 1728 og det nuværende stammer mest fra 1730rne. Pulpiturerne i sideskibene er fra 1731. Billedskæreren Friedrich Ehbisch stod for prædikestolen og altertavlen i deres højt prydede barokke stil, også fra 1731. Stjernehælvingernes gulddekoration stammer fra den tid (dog fornyet). Det store ur i rokokostil er fra 1757.

Det lille orgel ved alteret er moderne, et marmorværk tegnet i 1987 af Inger og Johannes Exner. Barokfacaden på det store orgel i vest er fra 1731. 

Trinitatis kirke blev oprindelig bygget til studenterne på Regensen, en firefløjet bygning der står overfor, på den modsatte side af Købmagergade. "Collegium regium", kaldet Regensen, er et af de ældste studenterkollegier i København. Den oprindelige bygning er indviet 1623, men det meste er nedbrændt ved bybranden i 1728. Den blev genopbygget i 1731-49. Kun murene i de to nederste stokværk fra Kannikestrædeporten til Købmagergade er oprindelige (første billede).

Fløjene langs St. Kannikestræde og Købmagergade. (Vor Frue Kirke skimtes for enden af St. Kannikestræde.) Tycho Brahes buste står ved Rundetårn i midterste billede.