Відомо, що тут поховані син засновника храму — Свя-тослав Всеволодович, його дружина Марія Мстиславівна. їхні саркофаги були в аркасоліях нартекса ще в 17 ст. У соборі був також престол в ім'я перших вітчизняних святих Бориса і Гліба. За довгий час існування храм декілька разів ремонтувався. Під час монголо-татарського нашестя він постраждав, але був відбудований. Найранішим свідченням відновлювальних робіт є знахідки вітражного скла 15 ст., однак перші документальні відомості про будівельні роботи в храмі належать до 1605—12, коли за ігумена Василя (Красовського) було перекладено обвалені склепіння рамен просторового хреста (нові склепіння були на 1,5 м нижчими). За ігумена Інокентія (Монастирського) у 1687 -97 збудовано чотири бічних бані, на фасадах збито напівколони, ліквідовано аркатуру на стінах та підбаннику, тесову покрівлю замінено на залізну, замість закомарно- го завершення влаштовано антамблемент з розвинутим карнизом. Для собору було виготовлено новий іконостас (не зберігся). Після пожежі 1734 церкву відновлював київський арх. І. Григорович-Барський. Він звів на західному фасаді бароковий фронтон хвилеподібного абрису, оздобивши його ліпним орнаментальним декором, вікна облямував лиштвами з орнамен-тальними пальметами над ними. Лопатки були завершені капітелями корінфського ордера, баням надано грушоподібної форми. 1949 виявлено деформації через утворення порожнин у лісовидному грунті узгір'я. 1949—54 порожнини ліквідовано, деформації припинилися.

Кирилівська церква належала до типу давньоруських хрещатих тринавних однобанних храмів (розміри по зовнішньому периметру 31X18,4 м). Особливістю планувально-просторової структури є наявність у південній частині нартекса хреіцальні (розібрана, вірогідно, ще у 17 ст.; її апсида виявлена в результаті археологічних досліджень). На хорах південної частини, що охоплює поперечну наву, збереглася капела ігумена з однією апсидою та маленькою напівкруглою у плані нішею жертовні. Вхід на хори — у північній стіні. Храм добре освітлений дванадцятьма великими вікнами у підбаннику та тридцятьма вікнами на фасадах, розташованими у два яруси в стінах основного об'єму і на рівні закомар. Середнє приміщення над нартексом відкривається у центральну частину храму, в бік підбанного простору двоарковим отвором з одним пучковим стовпом у центрі. Загальний абрис плану наближається до квадрата, а масив — до куба. Бічні нави у два з половиною рази вужчі за центральну (звичайно вони дорівнювали половині центральної). Внаслідок цього в об'ємі споруди домінує середнє прясло. Стіни храму вимуровано з плінфи системою порядкового мурування. Розміри плінфи від 30 X 26X 4,5 см до 32X 22X 5 см. Крім того, застосовувалися клинкові та лекальні плінфи для мурування пучко вих стовпів, напівколонок апсид, на півколон та аркатурного поясу на фа садах і на підбаннику бані. Споруда вірогідно, була вкрита тиньком кремово-рожевого тону (завтовшки 3—4 мм) Усі розчини досить високої якості. Підфресковий тиньк двошаровий. У середохресті підлога була з набірних мозаїчних плит, в інших частинах храму — з керамічних плиток. Вікна мали дубові рами з круглими шибками До конструктивних особливостей елі/ віднести поставу круглого підбанник бані на четверику підбанного простору (6,8x8,7 м). Стіни підбанника із за ходу та сходу спираються на мурова ні консолі, що нагадують кронштейні двоступінчастої заокругленої формі у дерев'яному будівництві. Незважаючи на різницю в розмірах підпірни: арок, вони вибудовані за одним радіусом внаслідок зміни висоти п'ят, схованих за шиферними карнизами. Інтер'єр відзначається високою ясні стю і злиттям усіх частин храму в єдиний простір. Просторовий хрест, угворений перетином головних поздовжньої та поперечної нав, завершується банею на широкому підбаннику. Якщо ззовні вигляд споруди характеризується ваговитістю, масивним силуетом, то інтер'єр справляє інше враження. Через арку між нартексом і навою відкривається вид на весь внутрішній простір - від стін бічних нав до апсиді та зеніту єдиної бані. Узгодженість системи розписів з архітектурою храму свідчить, що проект пам'ятки роз роблювався будівничим і митцег спільно.
Інтер'єр Кирилівської церкви не зазна значних змін, і до нашого часу дійшло майже 800 кв. м найціннішого фрескового стінопису 12 ст. На стінах храм також частково збереглося малярств 17 ст. та олійний розпис кін. 19 ст. Первісно весь храм прикрашав фресковий розпис: центральну та бічні апсиді стіни, склепіння, стовпи, головну баню, дверні та віконні прорізи й навіть вузький щілиноподібний хід на другий поверх. Над підлогою містилася фрескова панель, що в давнину імітувала мармурове облицювання. Загальна схема розміщення фрескових зображень була підпорядкована утвердженій церквою небесній ієрархії. Безумовно, у розписах Кирилівської церкви брали участь як місцеві, так і запрошені іноземні художники. За концепцією М. Лазарєва, це могли бути майстри з Балкан, про що свідчать не зовсім типові зображення балканських святих та воїнів, таких як Климент Бол-гарський, Іоанн Македонський, Димитрій Солунський, Євмен, Анфим. Але всі стародавні написи в храмі виконано старослов'янською мовою. Після навали монголо-татар з серед. 13 ст. Кирилівський храм було спаплюжено та пограбовано. Три з половиною століття він був у занедбаному стані. У ході відбудовних робіт 1605—12 за ігумена Василя (Красовського) церква була відремонтована також всередині, стародавній настінний розпис поновлено. У східній частині храму влаштовано три престоли: у центральній апсиді — на честь св. Трійці, у південній — св. Кирила та св. Афанасія Александрійських, у північній — архістратига Михаїла — покровителя Києва. У квітні 1612 відремонтований головний храм Кирилівського чоловічого монастиря освячено самим ігуменом разом із київським архієпископом та названо на честь св. Трійці. 1614, після смерті Василя (Красовського), на знак великої шани його тіло було поховано у самому храмі. 1786, коли за наказом Катерини II монастир припинив своє існування, храм перетворено на лікарняну церкву. Вірогідно, тоді всі стіни всередині церкви були тиньковані та побілені. Під час ремонтних робіт 1860, при усуненні старого тиньку, священиком П. Орловським було виявлено стародавні фрескові розписи 12 ст. Це відкриття привернуло до себе увагу громадськості того часу, за-вдяки чому ремонтні роботи було тимчасово припинено. У червні 1874 у Києві проводився III Археологічний з'їзд, на якому розглядалися питання дослідження та реставрації стародавніх фресок Кирилівської церкви. На кошти, які виділив комітет з'їзду, з 20 червня 1874 терміново почалися роботи щодо відмивання та розчищення стінопису 12 ст. від пізніших нашарувань. Перші такі роботи проводилися аматорами під керівництвом протоієрея Софійського собору П. Лебединцева. У консі головної апсиди було відкрито композицію «Євхаристія», частково — фігури святителів. У наріжних апсидах — тільки невеликі фрагменти розпису. У трансепті на південній стіні — частково композицію «Різдво Христове», на протилежній стіні — «Успіння Богородиці», а також цілий ряд фрагментів на стінах наріжних нав та в притворі. Результати першої реставрації стародавнього стінопису Кирилівської церкви привернули увагу дослідників з Петербурга. Була створена спеціальна комісія, яку очолив історик мистецтва та художній критик, проф. А. Прахов. З його ініціативи, після доповіді імператору Олександру III, було дано розпорядження виділити з державної казни 10 000 крб. на реставрацію живопису Кирилівського храму в Києві. Влітку 1881 зроблено фотофіксацію й проведено підготовчі роботи. Для дослідження та виконання робіт А. Прахов запросив київських художників — викладачів та учнів Рисувальної школи М. Мурашка (давнього приятеля Прахова, ще з часів навчання у петербурзькій Академії мистецтв). Значні реставраційні роботи розпочалися влітку 1883. До групи художників входили викладачі школи: М. Пимоненко, X. Платонов, І. Селезньов та учні: С. Гайдук, І. Єгорічев, В. Замирайло, Ф. Зозулін, І. Іжакевич, С. Костенко, О. Курінний, В. Отмар та ін. Реставрація та поновлення живопису повністю проведені за два сезони (травень — листопад) 1883—84. У перший сезон головним розпорядником був М. Глоба, у другий керівництво роботами взяв на себе видатний художник М. Врубель. Внаслідок копіткої праці у Кирилівській церкві було розкрито та відреставровано майже весь фресковий стінопис, що зберігся з 12 ст. У центральній апсиді з канонічних зображень відновлено верхній ярус з композицією «Євхаристія» з неоднаковим парним зображенням Спасителя у двох частинах симетричної композиції: ліворуч Ісуса зображено анфас, праворуч — у профіль. Кожна частина композиції має також окремий ківорій. Динамічні постаті ангелів, апостолів та Спасителя витримано у м'яких блідо-рожевих та блакитних тонах. Нижче збереглося фрагментарно два яруси зображень святителів християнської церкви. На рівні вівтарних вікон симетрична композиція складається з восьми постатей на повний зріст. Усі святителі одягнені у білі стихарі, поверх яких — довгі фелони та білі з хрестами омофори, що контрастують з червоною вохрою німбів та складок одягу. Особливого ритму композиції надають напівциркульної форми сувої, що святителі, трохи схиливши голови, тримають у руках. У нижньому ярусі — погрудні зображення святителів у медальйонах, які пов'язані між собою петлями-кільцями і створюють єдину орнаментальну лінію. На західному боці тріумфальної арки зображення розміщені також горизонтальними пасками. Під шиферним карнизом написано сцену «Благовіщення» (на північному стовпі — архангел Гав- риїл, на південному — Діва Марія). Нижче — сцена «Вшестя», що також розділена на дві частини (на північному стовпі — постаті Иосифа і Марії з немовлям на руках, на південному — Симеона та Анни). На фресці чітко видно граф’ю — попередній рисунок по вологому тиньку. Композицію витримано в теплих тонах. Обличчя, руки, стопи та німби фігур жінок написано червоно-коричневою фарбою, лише сивина волосся чоловіків та їхній одяг —світлі, майже білі. Під сценою «Вшестя» розташовано дві великі постаті апостолів Петра й Павла.
У північній апсиді трьома горизонтальними пасками розміщені фігури святих, серед яких багато солунян та македонян. Серед зображень — величні постаті святителів: Константина, Димитрія Солунського, Клименга Болгарського, Іоанна Македонського та ін. (максимальна висота 3,3 м).
Особливий інтерес являють фрескові зображення на стінах південної апсиди церкви, які збереглися значно краще за інші. Тут розміщено сцени з життя Кирила Александрійського, на честь якого і було названо саму церкву. Кирило жив у кін. 4 — на поч. 5 ст. і був єпископом міста Александрії, канонізований церквою як захисник християнської віри. Живописець 12 ст. написав на східній стіні південної апсиди визначні сцени з життя св. Кирила в хронологічній послідовності, починаючи з обрання на єпископа (верхній ярус) і до його смерті та поховання (нижній ярус). Тринадцять композицій з «Житія Кирила» розміщено у п'ять ярусів. Незважаючи на офіційні християнські канони, митець вніс у твори елементи сучасності. Колористично композиції вирішено в ніжно-рожевих, блакитних та світло-зелених тонах. Контури зображень чітко окреслено, на обличчях та волоссі постатей прокладено білильні мазки.
Давні розписи центрального простору храму також підпорядковані чіткій ієрархічній системі. У простінках вікон підбанника збереглися зображення апостолів, їхні статичні постаті вражають своєю величністю та монументальністю. Нижче, на парусах, традиційно розміщено зображення чотирьох євангелістів, з яких найкраще збереглася постать Марка на південно-західному парусі. Добре видно його велику голову із світло-русявим волоссям і бородою, руку на відкритому Євангелії та сіро-зелений одяг. Чотири центральні підпружні арки прикрашено медальйонами із зображеннями мучеників. Медальйони, як і в цент-ральній апсиді, пов'язані між собою петлями-кільцями.
У верхніх частинах південної та північної стін трансепта з розписів 12 ст. збереглося у простінках вікон по дві постаті так званих стовпників — найаскетичніших самітників-ченців, яких зображено на стовпах, що перев'язані вузлом (характерна деталь того часу). Нижче, на північній стіні трансепта, розміщено композицію «Успіння Богородиці», на південній — «Різдво Христове». Сцена «Різдва» охоплює цілий ряд сюжетів розповідного характеру: тут показано Богоматір із немовлям на руках, обмивання дитини, волхвів, що поспішають до місця події, символічних ягнят та ін.
На пілонах хрещатих стовпів — великі постаті святих воїнів: Димитрія Солунського, Федора Стратилата, Георгія Побідоносця та ін. Монументальні фігури воїнів з озброєнням зображено у військовому вбранні коричневого кольору на блакитному тлі.
На північній стіні північної нави — композиція «Здвиження хреста», на якій зображено дві постаті обабіч великого дерев'яного хреста: праворуч — візантійський імператор Константан, що одержавнив християнство; ліворуч — його мати — цариця Єлена, яка була присутня при віднайденні хреста Спасителя на Голгофі та привезла його частинку до Константинополя.
У нартексі збереглося кілька виразних сцен та безліч фрагментів багатопланової композиції «Страшний суд». Композиція розміщена ярусами на стінах, арках, пілястрах та коробовому склепінні нартекса. Тут і ангели з сурмами, і праведники, і засуджені грішники. Найкраще збереглися сцени: «Ангел, що звиває небо», «Лоно Авраама» та «Хід князів». Одним із найпоетичніших зображень усього розпису церкви є композиція «Ангел, що звиває небо», розміщена на південному пілоні нартекса, під шиферним карнизом. Цікавим є її компонування на площині: постать ангела дуже зміщена до краю пілона, решту композиції займає сувій, що символізує небо. На малюнку чітко видно глибоку граф'ю, особливо в нижній частині складок одягу. Тремтливий розліт крил, трагічний нахил голови ангела та роздутий кінець сувою передають стан напруженості й тривоги. Взагалі зображення біблійного сюжету «Страшного суду» в Кирилівській церкві вважається одним з найперших у храмах 12 ст. у Київській Русі.
З поновленого розпису 17 ст. до нашого часу зберігся портрет ігумена, написаний олією на одному з пілонів південної стіни. На портреті поясне зображення старця, який спокійно та велично дивиться на глядача. На ньому чернечий одяг: чорна ряса та чорний клобук, прикрашений тонкою золотою стрічкою. У лівій руці ігумен тримає патерицю, у правій — закладену пальцем книгу. Портрет розміщений в овалі, чим нагадує картину в рамі. Під овалом — герб, який свідчить про знатне походження зображеного. Живопис витримано в глибоких темних тонах. Думки сучасних дослідників щодо імені ігумена зводяться до двох висновків: перші традиційно вважають, що це портрет Василя (Красовського), тому що його було поховано поруч; другі розшифровують напис на зображенні (монограма з семи літер) як ім’я ігумена Інокентія (Монастирського), діяльність якого (1681—97) збіглася з періодом найбільшого розквіту монастиря. Цей зразок стінопису 14 ст. вважається цінною пам'яткою портретного жанру в українському образотворчому мистецтві.
Відповідно до угоди 1883—84, укладеної А. Праховим з художниками, в місцях втрати стародавніх фресок по новому тиньку було зроблено новий олійний розпис. Вибираючи сюжети для нових композицій, Прахов керувався тематикою розпису давньоруських храмів. У бані Кирилівської церкви заново було написано зображення Христа з ангелами (худ. І. Селезньов); на західній стіні центральної нави — сцени з життя Богородиці (худ. М. Климанов); у південній частині трансепта — «Хрещення Ісуса» (худ. X. Платонов); в апсиді на хорах — постать Богоматері (худ. І. Їжакевич). На західній стіні нартекса були дописані сцени пекла. За зразками старовинних фрагментів було розписано орнаментами вузький вхід на хори.
Особливу цінність мають розписи, зроблені художником М. Врубелем. Приїхавши до Києва, він працював над вивченням пам'яток давньоруського монументального живопису. М. Врубель створив чудові композиції, які прикрасили стіни Кирилівської церкви. Зі спогадів А. Прахова відомо, що першим твором художника у храмі була сцена «Благовіщення» на північному й південному стовпах тріумфальної арки. Тут фарбовий шар фрески злиняв, залишилася лише граф'я. Не виходячи за її межі, М. Врубель написав усе зображення, розробив деталі рук, обличчя, одягу. Другою його роботою була композиція «В'їзд до Єрусалима», написана в центральній наві під південною частиною хорів. На напівциліндричній стелі хорів він написав велику композицію «Зішестя Святого Духа» (всього за три місяці та без детальних ескізів). Композицію широко і вільно, як того вимагали пропорції склепіння, розгорнуто по горизонталі. У центрі — постать Богоматері, обабіч — по шість апостолів. Пензлю М. Врубеля належать також «Космос», зображення об-лич пророків Мойсея та Соломона, погруддя Христа над входом до молитовні та два ангели з лабарами по обидва боки апсиди в молитовні. Ангели в білому одязі, що переливається м'якими, мінливими тонами перламутру, вдало вписані в невеликий простір над апсидою; художник переконливо передав напруженість образів та їхній стрімкий рух. Останньою настінною композицією, що її виконав М. Врубель у Кирилівській церкві, є панно «Над-гробний плач» у південній частині притвору, на стіні аркасолія. Вписана у напівкруглу нішу композиція надзвичайно лаконічна й сувора: три ангели злетілися до труни Христа.
Усі композиції художник зробив за сім місяців (травень — листопад 1884). Наступним етапом було створення ікон для нового мармурового іконостаса за ескізами А. Прахова. З листопада 1884 до травня 1885 Врубель перебував у Венеції, де вивчав оригінальні живо-писні твори італійських майстрів. Написані там митцем чотири ікони — «Богоматір з немовлям», «Христос», «Кирило» та «Афанасій» відзначаються монументальністю, переконливістю й свіжістю образів. Найвдалішим є образ Богоматері. У ньому поєдналися і враження від чудових картин Д. Белліні, й чарівний образ дружини А. Прахова. Всі ікони написані олійними фарбами на цинкових дошках.
У 1930-і рр. у храмі здійснювали планомірні дослідницько-реставраційні роботи художники-реставратори з Києва та Москви Д. Кіплик та П. Юдін. 1949—54 реставраційні роботи проводили художники-реставратори Республіканської спеціальної науково-реставраційної виробничої майстерні Л. Калиниченко, Є. Мамолат, О. Плющ та ін. У 1960 — 80-ті рр.— художники-реставратори В. Баб'юк, І. Дорофієнко, О. Єрко, А. Кравцов, І. Лісаневич, В. Поліщук, П. Редько, В. Рибчинський та ін. [626].