La investigación arqueológica de la Fundación del Patrimonio Histórico en el exterior de la iglesia de La Santísima Trinidad de Segovia, en un sondeo de 20 m2 en la zona del ábside, ha aportado datos interesantes sobre el complejo proceso constructivo del templo.
Conforme a los datos facilitados por la Fundación, en esta zona, los arqueólogos han averiguado que los cimientos empezaron a tenderse, con mampostería de muy buena calidad, siguiendo un trazado diferente al actual. Ese primer trabajo se interrumpe y, al retomarse, se emplea una mampostería menos consistente, sobre una planta que desplaza un poco el centro del ábside hacia el suroeste: la que hoy vemos. Los investigadores creen que este cambio en el diseño se debe a que, en un principio, quisieron incorporar un templo anterior y, finalmente, descartaron esta opción.
Las cubiertas y la fachada norte se derrumbaron al poco de terminar de construirse la iglesia, así que hubo que repararla. Los arqueólogos han encontrado huella de este episodio en los cimientos, como el relleno de la grieta abierta por el colapso y refuerzos que datan en torno al siglo XIII. Además, sostienen, que después de este suceso, la iglesia no sufrió más problemas en su estructura, que hubieran tenido un reflejo en la cimentación.
También se han localizado algunas evidencias de la necrópolis parroquial que, a partir del siglo XII, rodeaba el templo, aunque las remociones de terrenos posteriores a esa época la han hecho desaparecer casi por completo.
La Fundación del Patrimonio Histórico también ha hecho una lectura de los muros, que ofrece una secuencia histórica de la construcción de la iglesia de La Santísima Trinidad, y deduce que responde a un programa unitario ejecutado en diversas etapas de obra: primero, se construye la cabecera; a continuación, los primeros tramos de la nave; sobre el oriental se eleva un cimborrio rematado al exterior con un campanario; mientras tanto se van levantando el resto de tramos, se cierra el edificio por los pies y, después, se aboveda. La Santísima Trinidad se eleva junto a los restos de otra iglesia anterior, plenamente visible en aquel momento. Ya en uso el templo, se construye el pórtico, adosado a la fachada sur, probablemente, sobre los restos del aula de la primera iglesia edificada en este solar.
La lectura de los muros se ha centrado especialmente en la torre, de fábrica románica, cuya construcción es, en parte, responsable de los problemas de estabilidad.
