Китаївська пустинь, підпорядкована Києво-Печерській лаврі, заснована у 14 ст. Наприкінці 1716 генерал-губернатор Києва Д. Голіцин збудував дерев'яну церкву в ім'я Сергія Радонезького, трапезну і келії, які 1757 згоріли. 1759 Синод дав дозвіл на спорудження но-вої, цегляної церкви. Троїцьку церкву збудовано арх. С. Ковніром, закінчено і освячено 1767. У 1829—37 арх. І. Богдановим (імовірно, за проектом арх. А. Меленського) зведено надбрамну цегляну дзвіницю на відстані 50мм від західного входу до храму. Являла собою чотириярусну, завершену високим шпилем споруду, в якій перший ярус було вирішено у вигляді прямокутного двоповерхового об'єму, прикрашеного з заходу і сходу чотириколонними портиками доричного ордера з трикутними фронтонами. Два верхніх, у плані круглих, яруси оздоблювали колони корінфського і композитного ордерів. Дзвіниця завершувалася цибулястою позолоченою банею, увінчаною високим шпилем (розібрана 1932).
У 1830-х рр. вздовж північно-західного краю подвір'я разом із дзвіницею зведено прилеглі один до одного одноповерхові цегляні корпуси братської трапезної з теплою церквою Дванадцяти апостолів, хлібні, кухні й кількох келій, на схід від Троїцької церкви — окремий одноповерховий дерев’яно-цегляний будинок настоятеля пустині з дерев'яною галереєю на фасаді (перебудований). За проектами арх. П. Спарро 1843—44 на південь від Троїцької церкви споруджено двоповерховий цегляний братський корпус («старий дім»), 1851—52 — цегляну огорожу комплексу з північно-західною економічною брамою у вигляді арки (не збереглася). У 1870-і рр. північно-східний бік подвір'я замкнено ланцюгом одноповерхових споруд — лазні та трьох келійних корпусів (перебудовані). Навпроти південно-західного бо-ку Троїцької церкви за проектом інж. О. Середи у 1894 зведено двоповерховий цегляний «новий дім», що призначався для помешкання старих священнослужителів. Внаслідок цього забудоване з усіх боків головне подвір'я пустині отримало форму неправильного шестикутника. З 2-ї пол. 19 ст. до складу пустині увійшло засноване у монастирському саду окреме господарське подвір'я.
Пустинь створювалась як оселя для усамітнення ченців. У Китаєві проживало чимало старців-ченців, які відзначалися подвижництвом. Одні з них обирали юродство — добровільну відмову від загальноприйнятих норм поведінки, інші — затворництво. Тому ще з 18 ст. Китаївська пустинь зажила слави київського Афону, стала місцем паломництва, дозвіл на відвідання якого видавала Києво-Печерська лавра. Влітку число прочан досягало 3 тис. осіб. Кожен старець був духівником, мав багато «духовних чад» з мирян та духовних осіб, які відвідували його тут без перешкод.
Найвідомішими з китаївських старців були Досифей і Феофіл, могили яких містяться поряд з Троїцькою церквою. Відновлено традицію їх шанування — тут здійснюються відправи-панахиди, до могил святих стікаються численні прочани. На північ від церкви збереглася також частина цвинтаря (ліквідований у 1960-х рр.), де поховано лаврських ченців, світських осіб. Серед них — могили відомого діяча Свято-Володимирського братства Г. Бредіхіна; княгині Т. Горчакової, черниці Києво-Флорівського монастиря (у чернецтві — Анастасія) та ін. У числі втрачених могил — склеп з двох камер, де покоїлися ієросхимомонах, книгопродавець Києво-Печерської лаври Іларіон та відомий лаврський юродивий Ковалевський Іван Григорович (1807—55), що мав прізвисько «Босий»; поховання Веніаміна (справж.— Базилевич Дмитро Ілліч; 1787—1873) —друкаря та ар-хітектора Києво-Печерської лаври, архімандрита Києво-Видубицького монастиря (1856—67), автора повного «Київського місяцеслова»; Спифанія (1770—1828) — філософа, богослова, проповідника, ієромонаха, керівника лаврської друкарні (1814—22). Кількох осіб було поховано у Троїцькій церкві. У 1970-х рр. біля с. Круглик було влаштовано новий цвинтар Китаївської пустині, поруч з яким виник скит Преображенська пустинь.
У 1920-х рр. в пустині містилася дитяча колонія, частина споруд використовувалася сільськогосподарськими закладами. 1930 територію та будівлі передано заснованому в цей час Всесоюзному дослідному інституту плодового та ягідного господарства (з 1954 — Український НДІ садівництва).
Під час Великої Вітчизняної війни всі будівлі дуже постраждали. Пізніше тут розміщувалися Республіканський навчально-виробничий комбінат бджільництва і Український науково-дослідний інститут захисту рослин (з 1956). Після реставрації Троїцької церкви (1992) і ремонту трапезної з келіями ці будівлі передано Українській православній церкві Московського патріархату [629].