Bygningskomplekset bestående af Trinitatis Kirke og Rundetårn blev opført under Kong Christian 4. Byggeriet gik igang i 1637 og Rundetårn stod færdigt i 1642, hvor Kirken først stod færdig i 1656.

Spiralgangen
Bortset fra allerøverst, hvor der er en trappe, har Rundetårn en bred spiralformet gang. Denne er belagt med mursten på højkant. Formentlig byggede man denne gang, så en hest med vogn kunne køre op til biblioteket og næsten helt op til observatoriet. På den måde kunne man transportere både bøger og astronomiske instrumenter op.
Denne måde benyttede Tsar Peter den store af Rusland og hans hustru tilbage i 1716 ved et besøg hos Frederik 4. De gik i land nord for København, da de ville gøre landgang i Skåne. Deres felttog blev dog ikke til noget, men tsaren blev redet til tops i Rundetårn på sin ganger, mens tsarinaen kom bagefter i karet. 

Smedejerngitter
Rundt på udsigtsplatformen på toppen er et smedejernsgitter fra 1643. Dette blev lavet af Christian d. 4.s hofsmed Caspar Fincke. Det er i nyere tid blevet suppleret af et indvendigt ca. 2 m. højt gitter for at forhindre at folk falder eller kaster sig ud.

Astronomiske observatorium
Det astronomiske observatorium var helt fra begyndelsen en vigtig del af tårnets funktion. Berømte videnskabsmænd som Ole Rømer og Horrebow har arbejdet i observatoriet. Siden 1929 har der været folkeobservatorium under kuplen på tårnets top.

Tårnet er udelukkende bygget til astronomiske observatorium og fungerer ikke som *kirketårn* idet klokkerne hænger i en tagrytter i kirkens modsatte ende.

Kirken
Trinitatis, betyder Treenigheden – hvilket hentyder til kompleksets tredobbelte funktion:
– Kirken skulle være studenter- og universitetskirke
– tårnet tjente til opgang til universitetsbiblioteket som indrettedes på loftet over kirken
– øverste platform fandtes universitetets astronomiske observatorium.

Efterfølgende blev kirken en sognekirke, der i en årrække husede Vor Frue menighed, der blev hjemløs efter ødelæggelsen i 1807. I 1861 flyttedes bibliotek og observatorium til nye, mere tidssvarende bygninger på arealet på Øster Vold.