Le décor de la chapelle de la Trinité constitue, avec la chapelle de l'hôtel-Dieu et l'église Saint-Bruno-des-Chartreux, l'un des exemples les plus caractéristiques du baroque à Lyon : jeux sur la polychromie des matériaux, peintures murales sur les murs de la nef et sur les voûtes de la nef et du chœur, gloire en stuc doré au-dessus de la tribune chorale. Le chœur en concentre les éléments les plus riches : maître-autel monumental en marbre polychrome, quatre niches abritant les statues des principaux saints de l'ordre, tableaux aux encadrements de marbre intégrés dans le décor de l'abside.

Les peintures murales des chapelles latérales, datant pour l'essentiel du 17e siècle, ont souffert d'un manque d'entretien et sont aujourd'hui difficilement lisibles. Cachées par des badigeons, elles n'ont été redécouvertes qu'à l'occasion de la dernière campagne de restauration, à partir de 1995. Les retables, en marbre polychrome à dominante de rose et de gris ou noir, affirment un goût marqué pour les jeux de renvois formels et de variations d'une chapelle à l'autre (étudiés : voir IM69001783), tandis que les dallages sont fortement individualisés et diffèrent pour chaque chapelle, avec une grande richesse de motifs .

Des graffitis datant du 18e siècle ont été identifiés sur les appuis des balustrades des tribunes nord et sud (ill. IVR82_20136901754 à 1758NUCA) : les différents noms et motifs qu'ils comportent offrent un témoignage sur les élèves du collège et sur les relations qui unissaient certains d'entre eux, dont l'étude serait à faire. Ces graffitis ont inspiré l'artiste Marie-Noëlle Decoret, qui en réalisé un estampage par frottage à la mine de plomb en 2000 (http://www.marienoelledecoret.com/fr/peintures+releves=chapelle=de=la=trinite=2000-1-1-0-19.htm)

Le dallage de la nef comprend deux pierres tombales en remploi.

Une plaque commémorative de la Consulta de la République cisalpine a été apposée par la Ville de Lyon le 26 janvier 2012, en mémoire de la réunion de cette dernière dans la chapelle de la Trinité le 26 janvier 1802.