Влаштована в ім'я засновника монастиря. Найраніша відома згадка про храм міститься в записках австрійського дипломата Е. Лясоти 1594, де він згадує «задній вівтар», в якому щосуботи служили обідню. Проте можливо, що малася на увазі лише ікона над місцем поховання преп. Антонія. За часів Е. Лясоти церква була вже збудована, ікона преп. Антонія містилася не на теперішньому місці, а значно глибше, в печерній галереї. Це підтверджується старими планами печер 1661 і 1703 та даними археологічних досліджень 1980-х рр. Афанасій (Кальнофойський) вказав у своєму творі «Тератургіма» (1638), що церква в ім'я преподобного Антонія «...від побожних законників, що жили незадовго перед нами, ...витесана». На планах «Тератургіми» видно досить розвинений об'єм підземного храму, який з часом набув виразної тридільності, характерної для печерних храмів Лаври. Наступний етап розвитку архітектурних форм церкви представлений на карті «Києво-Печерського патерика» (1661), де добре виявлено основні риси об'ємно-просторової композиції храму, що, змінюючись з часом в розмірах і деталях, залишалася в цілому визначальною. Планувальна вісь храму, як і в більшості інших підземних церков, під прямим кутом перетинає Печерну вулицю. На східному її боці розташовані вівтарна частина і нава, відділені одна від одної півкруглими виступами. Церкву прикрашав не іконостас, а лише одна ікона преп. Антонія, зображеного на повний зріст. Вівтарна частина видовжувалася на північ і сполучалася коридором з обхідною вулицею. Із заходу, через вулицю, навпроти основного приміщення церкви, розташовувалася келія, що дістала назву келії Антонія Печерського, об'єм якої становив притвор-нартекс тридільного печерного храму. На плані 1703 простір храму позбавлений внутрішнього поділу, показаний з округлою вівтарною частиною, якій, вірогідно, відповідає коробове склепіння приміщення. Нартекс, що набув чіткої форми квадрата, вузьким звивистим коридором сполучено з вівтарем іншої підземної церкви — в ім'я преподобного Варлаама Печерського, збудованої 1691. Згодом між келією Антонія і церквою преподобного Варлаама виникла низка об'єднувальних просторових об'ємів та коридорів. Зокрема, з південного боку келії-нартекса, окрім коридору між ним та церквою преподобного Варлаама, було прокладено діагональний хід, який додатково єднав нартекс з печерною галереєю (нині цей хід замуровано). План краєзнавця М. Закревського (1868) засвідчив наступний якісний етап у розвитку структури храму, після чого його архітектурна основа вже не зазнавала істотних змін. 1972 частково відреставровано іконостас. 1976—80 проведено ремонтно-реставраційні роботи в храмі. Виконавець — УСНРВУ при Держбуді УРСР. Керівник — арх. Г. Сапожникова.

Церква являє собою видовжений по осі захід—схід об'єм з хрещатою в плані вівтарною частиною, перекритий коробовим склепінням незначної кривизни. Склепіння підтримують дві мармурові колони від передвівтарної перепони собору Успіння Пресвятої Богородиці, перенесені у печери після пожежі 1718. Більші глибина й розміри ніш з південного боку надають просторовій композиції церкви дещо асиметричного характеру. Підлогу вимощено чавунними плитами (1760-і рр.).
Двоярусний, мідний позолочений іконостас зроблений 1813 українськими золотарями З. і Ю. Бризгуновими. Конструктивно й стилістично він подібний до іконостасів, створених відомим майстром-золотарем Ф. Коробкіним (Коробкою), але значно скромніший і композиційно менш виразний. Це визначається, насамперед, спрощеною лінією півкруглого фронтону, підігнаного під майже пласке склепіння. Декор мінімальний, складається зі скромного класицистичного облямування ікон й овальних вінків, розташованих між нижнім і верхнім рядом образів. Серед ікон верхнього ярусу — образи св. Іларіона — митрополита Київського, Богоматері Одигітрії, Христа й успіння преп. Антонія, які є характерними зразками лаврського іконопису поч. 19 ст. Олійний живопис на мідній основі зберігся не повністю, має численні втрати й осипи, що ускладнює його сприйняття. У нижньому ярусі — ікони, присвячені вибору місця для собору Успіння Пресвятої Богородиці: «Знамення через вогонь» (композиція за гравюрою Л. Тарасевича) та «Знамення через росу» (являє собою досить узагальнене зображення), а також «Пророк Ісайя і пророк Мойсей зі скрижалями», «Преп. Антоній (Антипа) в дорозі до Святої гори». Ікони цього ярусу не мають значних ушкоджень. Первісні царські врата іконостаса втрачено.
Сучасні ажурні, різьблені з дерева і позолочені врата є пізнішими. Стилістично вони подібні до царських врат церкви Введення у храм Пресвятої Богородиці на Ближніх печерах і можуть бути датовані серед. або 2-ю пол. 19 ст. Композиції шести овальних медальйонів царських врат із зображеннями сцени «Благовіщення» та євангелістів також не автентичні й мають напівпрофесійний характер. Близкість до келії й місця поховання Антонія надає особливої духовної наповненості суворому лаконізму форм церкви і посилює відчуття безпосереднього зв'язку з образом одного із засновників Києво-Печерської лаври.
В аркасоліях церкви встановлено раки з мощами Іоанна Постника і Прохора Лободника (Лебідника) [1477].