Gotycka, dwukondygnacyjna kaplica, będąca częścią gotyckiego zamku wzniesionego przez króla Kazimierza Wielkiego, powstała w drugiej połowie XIV wieku. Jako kaplica królewska służyła głównie potrzebom monarchów, którzy przebywali tu często, szczególnie w czasach dynastii Jagiellońskiej. W czasie 48-letniego panowania Władysław Jagiełło gościł w Lublinie 35 razy, tutaj w 1386 roku na zjeździe szlachty koronnej został powołany na tron polski. To on nadał świątyni królewski charakter. Na jego zlecenie w początku XV wieku malarze ruscy pod kierunkiem bliżej nieznanego mistrza Andrzeja pokryli wnętrze kaplicy malowidłami bizantyńsko-ruskimi.

W XVI wieku budowla otrzymała renesansowy portal, a w XVII wieku szczyt fasady frontowej w stylu renesansu lubelskiego. W trakcie obrad sejmu w 1569 roku, na którym podpisano unię lubelską przez kilka miesięcy gościł na Zamku król Zygmunt II August. 29 czerwca 1569 roku w kaplicy odbyło się uroczyste nabożeństwo dziękczynne. Na ścianach kaplicy zachowały się wyryte daty, a na obudowie schodów prowadzących na chór napis „unia facta est cum Ducatus Lytwanie” potwierdzający zawarcie unii. W wieku XVII, podczas wojen szwedzkich i kozackich, zamek uległ zniszczeniu. Z zabudowy wzgórza zamkowego ocalały Kaplica Trójcy Świętej oraz późnoromańska wieża z XIII wieku. W latach 20. XIX wieku w miejscu dawnego zamku królewskiego wzniesiono obecny budynek w stylu neogotyckim z przeznaczeniem na więzienie. W czasie przebudowy średniowieczne malowidła zostały zakryte warstwą zaprawy i pobiały wapiennej.

Kościół zamkowy należy do typu dwukondygnacyjnych jednofilarowych świątyń powszechnych w łacińskiej średniowiecznej Europie. Podział na kondygnacje uwarunkowany był funkcją kaplicy królewskiej. Liturgię z udziałem króla lub osób związanych z dworem sprawowano w górnym kościele. W lubelskiej budowli część przyziemna była zapleczem dla duchownych. Komunikację między kondygnacjami umożliwiały strome schody umieszczone w grubości murów ścian północnej i południowej. Górna kaplica ma kwadratową nawę i wieloboczne wydłużone prezbiterium. Pośrodku nawy stoi ośmioboczny filar podpierający gwiaździste sklepienie. Nawę i prezbiterium oddziela prosty, wycięty w murze łuk tęczowy. Obie kondygnacje mają jednakowy układ przestrzenny wnętrza charakterystyczny dla późnego gotyku. Rozwiązania konstrukcyjne, żebra sklepienne, wsporniki, zamknięte ostrym łukiem okna i portale decydują o przynależności architektury kaplicy do kultury zachodniej Europy. Dekoracja malarska należy do kręgu kultury bizantyńskiej i oparta jest na uświęconym wielowiekową tradycją kanonie ikonograficznym.

W Bizancjum istniała ścisła spójność ideowa malowideł z architekturą, dopowiadających jej symbolikę językiem obrazów. Dekorację malarską wpisywano we wnętrze, stosując zasadę hierarchii zstępującej. Kościół odzwierciedlał Kosmos stworzony przez Boga. Stały program ikonograficzny zakładał niezmienne umiejscowienie wątków: wieczna chwała Boga w czaszy kopuły, niżej poczet proroków i cykl ewangeliczny w nawie, a tematy eucharystyczne w prezbiterium. Wątki główne uzupełniane były wątkami pobocznymi, rozwijanymi w niższej strefie wnętrza, najczęściej cyklem scen z życia Chrystusa, Marii lub świętych. Filar, czyli kolumna niebios, ustawiona w centrum nawy, wyrażała łączność świata ziemskiego i boskiego.

Program ikonograficzny zaczerpnięty z Bizancjum w Kaplicy Trójcy Świętej w Lublinie dostosowany został do architektury budowli innej niż kopułowa.

Polichromia w kaplicy została wykonana zgodnie z tradycjami technicznymi sztuki bizantyńskiej. Zaprawę z wapna i drobno ciętych włókien kładziono partiami na powierzchni, którą malarz mógł ukończyć w ciągu jednego dnia. Rysunek na wilgotnym, wygładzonym tynku wzmacniały ryte kontury. Malowano barwnikami mineralnymi utartymi z wodą. Spoiwem farb jest krystaliczny węglan wapnia powstający w procesie twardnienia zaprawy.

Zachowany fragment napisu fundacyjnego wykonanego w języku staro-cerkiewno-słowiańskim. Umożliwia on dokładne datowanie zakończenia wykonania polichromii na dzień św. Wawrzyńca, czyli 10 sierpnia 1418 roku, oraz poznanie imienia jej twórcy – mistrza Andrzeja. Andrzej był głównym mistrzem odpowiedzialnym za realizację programu. W czasie prac konserwatorskich odczytano imiona Kurył (Cyryl) i Juszko – malarzy pracujących przy polichromii kaplicy. Cechy stylistyczne i warsztatowe malowideł wskazują na powiązania ze szkołą twerską i nowogrodzką, a w wielu scenach, zwłaszcza pasyjnych, widoczne są wpływy bałkańskie.

W 1899 roku malarz lubelski Józef Smoliński zwrócił uwagę na fragmenty polichromii widoczne pod warstwą odpadającej pobiały wapiennej. Odsłonił scenę na obudowie schodów prowadzących na emporę oraz wykonał jej kopię i opis, trafnie łącząc przedstawienie z wizerunkiem fundatora malowideł. Przypadkowe odkrycie Smolińskiego spotkało się z zainteresowaniem Akademii Umiejętności w Krakowie, a także Carskiej Komisji Archeologicznej w Petersburgu. W 1917 roku rozpoczęły się pierwsze prace przy konserwacji polichromii. Wydarzenia z czasów drugiej wojny światowej, a także dziesięciolecia powojennego w znacznym stopniu przyczyniły się do pogorszenia stanu malowideł. W 1976 roku rozpoczęto ostatni, kompleksowy etap zabezpieczenia technicznego budynku kaplicy oraz konserwacji polichromii. Oryginalne malowidła odsłonięto spod wielu przemalowań, reperacji i łat tynkowych. Wieloletnią konserwację zakończono w 1997 roku.