До нього ведуть усі три монастирські вулиці — від Святої, Економічної та нижньої брам. Разом з Великою лаврською дзвіницею храм є головним компонентом унікальної панорами Свято-Успенської Києво-Печерської лаври, що відкривається з лівобережжя Києва.
Збудований у 1073–78, був першою мурованою спорудою монастиря. Іпатіївський літопис і «Києво-Печерський патерик» називають ініціаторами будівництва храму перших ігуменів Печерського монастиря Антонія і Феодосія та князя Святослава Ярославича, який відвів для його спорудження ділянку землі на Берестові, пожертвував 100 гривень золотом й особисто брав участь в урочистих закладинах фундаментів собору влітку 1073. За даними «Києво-Печерського патерика», будівничими церкви були грецькі майстри з Царгорода. Характер віднайдених клейм на плінфі та голосниках, малюнків і написів на тиньку засвідчує, що виконавцями робіт були і давньоруські майстри. За монастирською легендою, «божественну міру» для будівництва храму вказала сама Богородиця. Нею слугував «золотий пояс Шимона», пожертвуваний боярином-варягом для зведення святині в пам’ять про своє чудесне врятування на морі. Шир. собору мала складати 20, довж. — 30, вис. з верхом — 50 поясів. Аналізуючи реальні розміри храму, арх. М. Холостенко встановив, що «пояс», яким користувалися для розбивки плану споруди, дорівнював 1,08 м, тобто половині давньоруського косого сажня. Шир. собору — 21,62 м (1,08 м × 20), довж. — 32,40 м (1,08 м × 30). Інші розміри храму також кратні «поясу» — 1,08 м. За іншою версією (К. Афанасьев, Г. Логвин, М. Мур’янов), розмір «пояса», знятого варягом Шимоном з виготовленого його батьком Африканом латинського розп’яття, визначався у римських футах (1 фут дорівнює 29,6 см). У липні 1078 будівництво в основному було завершено, одночасно або дещо пізніше (1078 або 1081) біля північно-західного наріжжя храму зведено невелику, ймовірно, одноярусну, квадратну в плані (8,4 × 8,4 м), триапсидну церкву в ім’я св. Іоанна Предтечі, яку на межі 11–12 ст. підвищено до рівня стін собору. 1119 на південному боці західного фасаду споруджено каплицю в ім’я Трьох святителів над склепом княгині Євпраксії. Мистецьке опорядження інтер’єра здійснено 1083–89. У створенні мозаїк і фресок разом з грецькими митцями брали участь і місцеві художники, зокрема Аліпій. Собор освячено напередодні свята Успіння Пресвятої Богородиці 1088 — у рік 100-річчя введення на Русі християнства. 1096 собор отримав пошкодження під час навали половців під проводом хана Боняка, 1151 і 1159 – від військ владимиро-суздальських князів Юрія Долгорукого та Андрія Боголюбського, 1203 — чернігівських князів Ольговичів. 1230 величезних руйнувань завдав землетрус: завалилися склепіння, південні стіна та апсида. Церква св. Іоанна Предтечі не постраждала. 1240 собор зазнав пошкоджень під час захоплення Києва мон- голо-татарами. Відновлення храму з укріпленням стін контрфорсами відбулося в 13–14 ст.
В 11–13 ст. собор Успіння Пресвятої Богородиці являв собою величний шестистовпний, тринавний, хрещатий, одноверхий храм з нартексом та трьома пониженими апсидами, до його північно-західного наріжжя прилягала невелика вежоподібна одноверха церква св. Іоанна Предтечі. Над нартексом і західною парою стовпів середохрестя містилися П-подібні у плані хори, розкриті в інтер’єр трьома великими арковими отворами. На хори потрапляли сходами, влаштованими або між північною стіною собору і церквою, або в самому об’ємі церкви. Півсферичні бані спиралися на стрункі світлові підбанники. Просторові компартименти, окрім бань, перекривали коробові склепіння, торцеві частини яких утворювали фасадні закомари. Склепіння просторового хреста, сформованого центральною навою і трансептом, значно перевищували бічні, що надавало певної динамічності статичній за характером композиції храму. Розташовані ярусами віконні та дверні прорізи мали півциркульні завершення. Стіни зведено у давньоруській техніці змішаного мурування, типовій для архітектури Києва 11 ст.: з валунного каменю та цегли-плінфи. Мурування поверхневих шарів стін регулярне, з каменю, що чергується з двома—трьома рядами плінфи, простір між ними заповнено бутовим камінням на цем’янковому розчині. У муруванні стін і перекриттів використовувалася плінфа квадратної і прямокутної форми, для окремих конструкцій та декоративних деталей застосовувалася плінфа спеціальної клиноподібної та лекальної форм, в склепіння вмуровувалися глечики-голосники для зменшення їх ваги та поліпшення акустики інтер’єра. П’яти склепінь спиралися на карнизи з шиферних плит, з’єднаних металевими анкерами зі свинцевою заливкою (досліджено в залишках церкви св. Іоанна Предтечі). Поверхні стін, пілонів і арок було тиньковано цем’янковим розчином, при цьому виступні ряди плінфи залишали відкритими, що надавало муруванню декоративності. Фундаменти зводили з нижнього ряду великого каменю, який складали у розпір ретельно виконаного бутового мурування, поверх якого клали дерев’яні в’язі і далі мурували стіни. Глибина закладання фундаментів — 183 см (від сучасного денного рівня). Фасади собору членували пласкі лопатки значного виступу і широкий декоративний меандровий пояс між першим і другим ярусами вікон. Грані апсид та підбанників підкреслювали півколонки. Входи обрамляли ступінчасті перспективні портали, аналогічно оздоблювали й вікна. Площини стін і закомар прикрашали декоративні ніші, арки закомар — смужки зубців. Підбанники завершували аркатурні пояси. Стіни апсид увінчував меандровий фриз і дрібночарунковий орнамент. Півсферичну баню та коробові склепіння було вкрито листами свинцю.
Площини стін, арки й склепіння в інтер’єрі було пишно оздоблено фресковим і мозаїчним живописом, виконаним у традиціях візантійського мистецтва — з зображеннями Богородиці і Євхаристії в головній апсиді, Святого Духа — у бані, святих мучеників — на стінах. У центральному підбанному просторі підлога була шиферно-мозаїчна, у вівтарі — з дрібної поліхромної мозаїки, у навах — з червоних шиферних плит, з яких, ймовірно, було виконано і огородження хорів, прикрашене скульптурними рельєфами (два фрагменти з зображеннями т. зв. Геракла і Кібели зберігаються в фондах НКПІКЗ). Вівтар відокремлювала невисока мармурова перепона (темплон), антаблемент і колони з якої в 17 ст. перенесено у Ближні печери.
Прямих свідчень про стан собору в післямонгольську добу немає. Він, ймовірно, залишався діючим храмом, у якому в 14–15 ст. ховали представників правлячої литовської династії та феодально-церковної знаті, що сприяло надходженню коштів на будівельні й оздоблювальні роботи. 1416 монастир постраждав від навали кримських татар хана Едигея. Собор відновлено 1470–71 коштом київського князя Симеона Олельковича, про що, зокрема, свідчить напис на поліхромному триптиху з рельєфним зображенням Богородиці та Антонія і Феодосія Печерських (містився на зовнішній вівтарній стіні, у 19 ст. перенесений на фасад Великої лаврської дзвіниці). Наступного руйнування храму завдано 1482 під час нападу на Київ кримського хана Менглі-Гірея. Відбудову здійснено за сприяння ктитора Печерського монастиря К. Острозького, який, зокрема, 1516 заклав біля південно-східного наріжжя давнього ядра невелику каплицю св. Іоанна Богослова. У 3-й чв. 16 ст. його син К. Острозький встановив над могилою батька, похованого в соборі, унікальний для Києва скульптурний надгробок (1941 зруйнований), відновив стінопис і прикрасив інтер'єр високомистецьким різьбленим іконостасом (відомий за бронзовою копією 18 ст., виготовленою за наказом патріарха Московського Никона).
На поч. 17 ст. собор зберігав давньоруську об'ємно-просторову структуру з великою центральною і малою (над церквою св. Іоанна Предтечі) півсферичними банями. Найраніші зображення собору у лаврських виданнях [«Бесіди Іоанна Златоуста», 1623, «Тератургіма» Афанасія (Кальнофойського) 1638 та ін.] фіксують заміну склепінчастої покрівлі на двосхилу дахову, що утворювала трикутні щипці над закомарами та один великий щипець завширшки у три нави на східному фасаді. Гостролукі щипці привнесли в архітектуру і риси готики. Над похованнями можновладців ззовні собору у кін. 16 – на поч. 17 ст. з'являється кілька каплиць, односхилі дахи яких сягали рівня вікон другого ярусу: на північному фасаді поряд з північною апсидою — князів Корецьких-Пінських з вівтарем св. Стефана та князів Єльців біля східної стіни церкви св. Іоанна Предтечі, на південному фасаді поблизу західного наріжжя — приділ Трьох святителів.
1630–42 значні поновлювальні роботи здійснив митрополит Київський Петро (Могила), внаслідок яких собор став багатоверхим. 1654 Павло (Алеппський) бачив дев'ять вкритих сяючою бляхою бань з позолоченими хрестами, частина яких була декоративною (кількість і розташування бань на світлових підбанниках достеменно не відомі). Він вперше згадує живописні композиції на фасадах. В інтер'єрі відмічено збереження традиційного для давньоруського мистецтва зображення Богородиці на стіні головної апсиди. Є свідчення, що стінопис було доповнено малюванням грецьких майстрів, залучених Петром (Могилою). Графічні джерела серед. 17 ст. вказують на певні стилістичні зміни в архітектурі. Замість трикутних фасадних щипців, зафіксованих на дереворитах 1660–61 роботи лаврського майстра Іллі, облаштовуються вінцеві ренесансно-барокові фронтони — трикутні над бічними пряслами західного фасаду — та розірвані із баньками — над центральними пряслами фасадів (малюнок А. ван Вестерфельда серед. 17 ст., дереворити з лаврських видань 1676 і 1677). Форма бань змінюється зі сферичної на шоломоподібну, з ковнірами. Над центральною банею з'являється ліхтарик, на підбанниках (центральному і церкви св. Іоанна Предтечі) — декоративні фризові розетки.
Наступний архітектурний розвиток йшов у напрямі утворення цілісного, симетричного за композицією об'єму у формах українського бароко. Ці істотні зміни пов'язують з реставраційними роботами, здійсненими після 1690 коштом гетьмана І. Мазепи. Зокрема, собор зображено на мідьориті І. Мигури (1706) серед інших храмів мазепинської фундації. Асиметрію західного фасаду усунуто розширенням і підвищенням приділу Трьох святителів, що врівноважив об'єм церкви (приділ) св. Іоанна Предтечі. Каплички перед північним і південним крилами західного фасаду об'єднано у два одноповерхові притвори, членовані пілястрами й увінчані шістьома (по три з кожного боку) фігурними бароковими фронтонами (дереворити з лаврських видань 1693 і 1697). На поч. 18 ст. фронтони розібрано, натомість пластичний акцент перенесено на пишні двоярусні фронтони з рипідами над бічними навами давнього ядра та портал головного входу, відмічені застосуванням ордера (мідьорити 1702 роботи Л. Тарасевича, дереворит до «Літургіона», 1708). З'являються фризи з кахляних розеток під карнизами бань та західних притворів. Розбудовані бічні каплиці перетворено на приділи святих Стефана (північно-східний) та Іоанна Богослова (південно-східний), на другому ярусі яких відповідно облаштовано додаткові вівтарі — Преображення Господнього і св. Андрія Первозванного. Південну апсиду давнього ядра зайняв вівтар св. архангела Михаїла. Майже кубічний об'єм храму завершували сім світлових бань із ліхтариками та маківками: чотири — на наріжжях, три — на головній осі схід–захід. Бані і маківки набули притаманного українському бароко грушоподібного абрису. За програмою, розробленою київськими богословами, оновлено стінопис в інтер'єрі. Його прикметна ознака — розміщення сюжету «Розп'яття» у головному вівтарі, що був частиною композиції «Свята Трійця», яка у зримих образах втілювала духовні цінності української національної церкви, спрямовані на боротьбу з ідеєю антитринітаризму. Окрім релігійних сюжетів, на стінах храму були зображення руських князів-благодійників, а також гетьманів Б. Хмельницького та, вірогідно, І. Мазепи.
Під час пожежі в ніч з 21 на 22 квітня згоріли усі дерев'яні споруди на території Лаври. Від собору залишилися тільки стіни й склепіння. Тоді, ймовірно, було остаточно знищено залишки стародавнього фрескового живопису і мозаїк. Через рік після пожежі Духовний собор Лаври звернувся до російського імператора Петра І з проханням про допомогу. 11 грудня царським указом було звелено відбудувати соборну церкву Києво-Печерського монастиря і видати на цю справу 5 тис. крб. з царської казни, додаткова необхідна сума мала бути зібрана з козацької старшини та знатних козаків. 20 травня 1721 на ім'я гетьмана України І. Скоропадського надійшла нова царська грамота, з наказом зібрати з козаків та заможних міщан 10 тис. крб.
Пошуками архітектора й справами відбудови займався намісник Лаври Антоній (Тарасевич). Проект відновлення й реконструкції храму у дев'ятиверхому варіанті склав санкт-петербурзький арх. Ф. Васильєв, який прибув до Києва у серпні 1720 з гетьманським представником. Керував будівництвом московський арх. І. Каландін з помічниками, який приїхав 1722. Лавра заздалегідь підібрала кваліфікованих майстрів-мулярів. Серед них — брати і С. Горохи, С. Козир, О. Литвин, П. і С. Палладієви, Й. Рубашевський, Р. Чоботок, десятники Й. та С. Муровщики. У відбудові брали участь теслі Аврам, Ф. Бібік, Данило, Іван, Ф. Кочержинський, Ф. Кучер, Т. Логоша, Максим, Мойсей, Г. Обаченко, Олекса, Р. Поротник, І. Станковенко, Федір, А. Чарюк; столяри — Григорій та Іван, Г. Пінчук; гамарники (мідники) — Андрій, Антоній, Клим, Павло і Хома; слюсарі — Василь, чернець Нестор, Олексій і Федір; ковалі — чернець Аверкій, Михайло москаль, який разом з київським майстром Андрієм у сезони 1731–32 покрив церкву бляхою.
Храм з сімома світловими банями відбудовано у межах попередніх підмурків. Низькі притвори на західному фасаді перетворено на двоярусні ризаліти, в яких розміщено сходи на хори та приміщення бібліотеки, книгосховища, ризниці тощо. У бічних приділах влаштовано додаткові хори, розкриті до центральної частини інтер'єра новопробитими арковими отворами. Відновлено вівтарі: центральний — Успіння Пресвятої Богородиці, у південній апсиді давнього ядра — св. архангела Михаїла, на південному сході — св. Іоанна Богослова (внизу) і св. Андрія Первозванного (на рівні хорів), на північному сході — св. архідиякона Стефана (внизу) і Преображення Господнього (на рівні хорів), у західній частині храму — св. Іоанна Предтечі (ліворуч) і Трьох святителів (праворуч). У західній частині хорів облаштовано нові вівтарі на честь преподобних Печерських Феодосія (ліворуч) і Антонія (праворуч).
1726 розпочались оздоблювальні роботи. їх організаторами виступили художник О. Тарасевич та еклезіарх Лаври Іліодор (Копистенський). Війт Київського магістрату направив для роботи у соборі місцевих жителів — малярів Власа, Дмитра, С. Комісаренка, Н. Матвія, П. Молодика, Павла та ін. До Лаври приїхали майстри, зокрема іконописці, з понад півтора десятка українських міст (Батурин, Березна, Васильків, Золотоноша, Ніжин, Переяслав, Полтава, Харків, Чернігів та ін.).
1726–32 під керівництвом П. Поповича у живописних та іконописних роботах з оздоблення собору брало участь 88 майстрів, зокрема 1727–28 — художники М. Бенєвський, Л. Буяновський, Великий, Я. Галик (у чернецтві — Алімпій), Д. Глинський, П. Дурницький, Д. Дяченко, С. Зайончковський, Ф. Золотоношський, П. Казанович, І. та Ф. Камінські, І. Кашниченко, , І. Козельський, Я. Коломієць, В. Коломійченко,
Л. Кропив'янський, М. Лисянський, Я. Лупницький, А. Любецький, Я. Малярчик (брат П. Поповича), І. Могильовець, Ф. Молодиков, Ф. Павловський, В. Пашинський, І. Пегоревич, І. Переяславський, Полтавець, І. Сітковський, Я. Ступницький, П. Трош, Г. Чернігівський, С. Шведик, М. Шумейко, Ф. Щербинський; а також Андрушко (малярчик з Березни); Давид, Денис, Захарко, Матвій, Никифор (з Києва); Євстафій; Констанцій (з Ніжина); Микита, Сава, Софроній та ін. Київські маляри Матвій та Никифор написали в центральній частині інтер'єра багатофігурні композиції Вселенських соборів. У кін. 1728 розписи центральної частини собору та іконостаса були в основному закінчені. 1729 в малярських роботах брало участь 30 чоловік. П. Попович на другому поверсі розписав вівтар св. Андрія Первозванного, І. Летковський на верхньому ярусі — іконостаси вівтарів преподобних Антонія і Феодосія Печерських, Ф. Павловський писав образи до іконостаса вівтаря св. Стефана, Ф. Камінський — корогви. Великий вівтар розписали маляри Л. Буяновський, Я. Галик, Я. Глинський, Я. Дурницький, Д. і П. Дяченки, П. Казанович, І. Козельський, В. Коломійченко, Матвій, С. Мисальський, Пашинський, І. Сітковський, Я. Ступницький, В. Циганчук, Ф. Щербинський та ін. 1729 основні роботи з відбудови та оздоблення собору було завершено. Зроблено нову підлогу з чавунних плит.
Ще до початку відновлювальних робіт здійснювалася підготовка до виготовлення головного (великого) іконостаса, яку розпочав чернігівський сніцар Г. Петров, котрого підрядив гетьман І. Скоропадський. Майстер був добре відомий у Києві своїми творами різьбярства: іконостасами собору Святої Софії, церкви Миколи Доброго, Свято-Михайлівського Золотоверхого собору. Після його смерті 1722 роботу продовжив васильківський майстер І. Сніцар, який у грудні 1728 встановив у храмі п'ятиярусний іконостас. 1730 він же виготовив місце для архімандрита біля правого криласа, різьблену кафедру, 1730–31 вирізьбив іконостас вівтаря св. архангела Михаїла (малий іконостас), що містився між головним вівтарем і старою південною стіною. Розписали його Ф. Камінський і Ф. Щербинський. Дерев'яні царські врата цього іконостаса простояли до 1839, коли їх замінили коштом кн. К. Кудашевої на срібні, що розмірами і формами нагадували попередні. Двоярусний іконостас вівтаря св. архідиякона Стефана виготовив у 1727 сніцар А. Топольницький, розписали у 1728–29 Ф. Камінський і Ф. Павловський. Іконостас вівтаря св. Іоанна Богослова за своїми художньо-стильовими особливостями нагадував іконостас вівтаря св. Стефана. Розписав Я. Глинський. Двоярусний іконостас вівтаря св. Андрія Первозванного вирізьбив лаврський сніцар Іларіон, розписали П. Попович, Г. Черняк, за участю Д. Бабєєва і В. Пашинського. Престол і жертовник зробив столяр Г. Пінчук.
Різьблений двоярусний дерев'яний іконостас для вівтаря Преображення Господнього виготовив лаврський сніцар Іларіон, розписали Ф. Павловський і Ф. Щербинський. Престол і жертовник зробив Г. Пінчук. Двоярусний іконостас вівтаря св. Іоанна Предтечі вирізьбив 1728 сніцар Г. Пінчук, живописні роботи виконали 1731—32 Д. Дяченко, С. Кантакузін, В. Пашинський, Ф. Щербинський. Ліплені гіпсові (алебастрові) роботи виконав 1726 майстер Ю. Бєлінський. 1732 він оздобив ліпленими прикрасами місця, де мала стояти «гробниця з главою Святого Володимира», а також навколо надгробної скульптури кн. К. Острозького.
Велику роль у художньому оформленні інтер'єрів соборної церкви у 1720–30-х рр. відіграли золотих та срібних справ майстри. Я. Білецький виконав оздоблення намісних ікон, хрести, свічники, ліхтарі. Великий іконостас, два криласи, місце архімандрита, чотири іконостаси у вівтарях визолотили І. Летковський зі своїм челядником Павлом. Після смерті І. Летковського у березні 1730 Павло «з товаришами» продовжив роботи у вівтарях св. Андрія Первозванного, Преображення Господнього, позолотив бляхи іконостаса у вівтарі св. Іоанна Предтечі, ланцюг великого панікадила, викарбуваний золотарем А. Сріблянським. Київський золотар Сава разом з німецьким майстром з Бреславля Х. Бауером виготовив мідні речі до гробниці преп. Феодосія Печерського, проект якої склав Антоній (Тарасевич). 1730–31 золотарі Іван, Сава та Юхим позолотили західні двері собору та велику кількість мідних блях для покрівлі бань, виготовили чотири срібні лампи у вівтар св. Іоанна Предтечі та шати ікон. Х. Бауер зробив кілька срібних свічників, разом з М. Лазаревичем визолотив церковні двері, зроблені карбувальником С. Олішевським. У роботах також брали участь київські золотарі Гапон, С. Градовський, Іван, І. Равич, С. Тарановський. Визначним витвором А. Сріблянського було велике срібне панікадило чудового карбування на 28 свічок. М. Юревич, крім шат на ікони, виготовлених спільно з А. Сріблянським, викарбував чотири срібні лампи. Київський майстер М. Юревич прославився царськими вратами великого іконостаса, які виготовив 1713 коштом графа Б. Шереметева, переробив 1746 (їх фрагмент знайдено під руїнами собору у 1940-х рр.). Під час освячення собору архієпископом Київським Варлаамом (Ванатовичем) у храмі було покладено частки мощей святих апостолів Варнави, Варфоломея, євангеліста Луки, великомучеників Георгія Звитяжця, Ди- митрія, Євстратія, Ірини, Марини, Меркурія, Пантелеймона, Прокопія, Стефана архідиякона, Федора Тірона, Фекли, священномученика Антипи. Впродовж наступних трьох років розписано приміщення другого поверху. 1767 проведено ремонтні роботи, під час яких під керівництвом майстрів С. Ковніра і Ю. Бєлінського над фасадами спорудили нові, ще пишніші щити-фронтони — два над ризалітами західного фасаду, по два — над північним і південним, три — над центральними апсидами східного фасаду. Наступні реставраційні й ремонтні роботи істотних змін не привнесли. 1769 реставрувався живопис в інтер'єрі, який 1772–76 був значною мірою переписаний.
В результаті відновлювальних робіт остаточно сформувався новий архітектурний образ величного семиверхого собору, що мав майже квадратний план з п'ятьма апсидами і двома ризалітами на західному фасаді. Його стародавнє ядро з півдня, півночі та заходу було оточено симетричними, з прямокутними прорізами прибудовами у пишних формах пізнього українського бароко, часу його найвищого розвитку. Двоярусні фасади храму було розчленовано поодинокими пілястрами, складними розкріпованими карнизами, прикрашено ліпленням і декоративними нішами. Лиштви вікон західного фасаду, портали входів і апсиди оформлено пишним рослинним ліпленням. Під карнизами стін і підбанників проходили фризи з поліхромними майоліковими вставками — розетками та голівками янголят над пілястрами. Стіни увінчували двоярусні ордерні фронтони з бічними волютами та півциркульними сандриками, пишно декоровані ліпленням і живописом. Сім позолочених грушоподібних бань завершувалися ліхтарями і маківками з хрестами, фронтони — позолоченими рипідами.
Собор був найбільшим у Києві, вміщував під час служби бл. 6 тис. парафіян (підрахунок кін. 19 ст.). Бароковий ансамбль оздоблення інтер'єра відзначався розкішшю й багатством архітектурних і декоративних форм, пишністю окрас, блиском золота і срібла, яскравістю барв. Стіни поспіль було покрито розписом, систематизованим за тематичними циклами, що відображали ідеї української теології 17 ст. Попри офіційну заборону 1722 алегоричних зображень у церковному мистецтві, вони, судячи зі складених лаврськими ченцями описів, набули в соборі поширення. У головному вівтарі обабіч «Розп'яття» були символічні зображення Святого Духа з сімома його дарами та «Воскресіння Христа» з дванадцятьма його явленнями після воскресіння. На головній бані замість канонічного Пантократора відновлено зображення 17 ст. «Свята Трійця Новозаповітна», навколо неї — дев'ять ангельських хорів у хмарах. Розписи у жертовнику присвячувалися страсному циклу, у вівтарі св. архангела Михаїла — ангельському циклу із зображенням сцен апокаліпсиса. Окрім численних біблійних євангельських і дидактичних циклів значне місце у розписах посідала церковно-історична тематика, зокрема, великі багатофігурні композиції Вселенських соборів у центральній частині храму та символічно-ландшафтні картини «небесного Єрусалима» із зображенням київських пагорбів або Російського Сіону — частини християнського православного світу.
Окрему, але органічну частину розпису складав цикл портретів доброчинців та ігуменів монастиря, започаткований, ймовірно, в часи Петра (Могили) та І. Мазепи й доповнений упродовж
ст. Портрети на повний зріст займали нижні частини стін нартекса та головного об'єму церкви разом з пілонами. На північній стіні головного об'єму зображувалися литовські князі та українська старшина (зокрема, гетьмани Б. Хмельницький та І. Самойлович), на південній стіні — ігумени й архімандрити, у нартексі — київські князі і московські царі (зокрема Петро І). Послідовність розміщення портретних зображень відображала історію Свято-Успенської Києво-Печерської лаври і разом з тим стверджувала ідею спадковості від Київської Русі до Російської держави. Унікальний ансамбль монументального українського барокового живопису у переписаному вигляді проіснував до кін. 19 ст.
Зовнішній вигляд собору залишався без змін. 1825 перед входами до нього встановлено тамбури столярної роботи. 1808, 1817 і 1830 поновлено монументальний живопис на фасадах. Проводився також поточний ремонт дахів і бань. Особливої уваги вимагали настінні розписи в інтер'єрі, які швидко псувалися через несприятливий температурно-вологісний режим у неопалюваному приміщенні. 1798 під наглядом начальника лаврської малярні Захарії (Голубовського) іконописний майстер С. Сокольський поновив 29 ікон, написаних на бляхах у вівтарі. 1804 замінено тинькування на хорах і в приділах Преображення Господнього та св. Андрія Первозванного. 1813 художник І. Квятковський по новому тиньку розписав частину приділу св. архідиякона Стефана. 1826 іконописець І. Ороб'євський склав проект розпису приділу св. Іоанна Предтечі й після схвалення Святійшим Синодом втілив його в життя. 1831 поновлено стінопис приділу св. Іоанна Богослова. Є відомості про реставрацію живопису в інших частинах храму та виконання декоративно-оздоблювальних робіт, пов'язаних з виготовленням нових окладів й позолотою. Найбільш масштабне поновлення розписів відбулося 1840—42. До цієї роботи митрополит Київський Філарет (Амфітеатров) запросив художника Іоакима родом з Чернігівської губ. (в чернецтві — Іринарх). За вказівкою російського імператора Миколи І 1843 залучено академіка живопису Ф. Солнцева, який одночасно виготовив чотири кольорові розгортки інтер'єра. Від старого розпису тоді залишалася частина історичних портретів і композиції Вселенських соборів.
У кін. 19 – на поч. 20 ст. у соборі Успіння Пресвятої Богородиці здійснено ґрунтовні ремонтно-реставраційні роботи. 1880–88 після зняття тиньку реставровано фасади з відновленням ліплення й декору за старими взірцями. На підставі обстеження мурування стін проф. П. Лашкарьов вперше визначив обсяг давньоруського ядра й характер його руйнування у 13 ст. За проектом військового інж. І. Лільє 1885 в соборі облаштовано водяне опалення низького тиску, вдосконалене 1895. Обладнання для опалення виготовлено на Київському машинобудівному і чавуноливарному заводі О. Термена. 1886 чавунну підлогу замінено дубовим паркетом, цоколь облицьовано гранітом. 1893 розпочато капітальний ремонт в інтер'єрі з оббиттям попереднього настінного розпису, що, на думку Святійшого Синоду та спеціальної комісії, утвореної 1886, не відповідав давнім іконописним канонам. Будівельні роботи очолював арх. В. Ніколаєв, який на основі натурних обстежень встановив вкрай незадовільний стан несучих конструкцій споруди, істотно доповнив спостереження П. Лашкарьова новими даними щодо стану збереженості давнього храму та його архітектурних особливостей. Після оббиття тиньку сподіваних залишків давньоруських мозаїк і фресок не було віднайдено. Під час проведення укріплювальних і протиаварійних заходів застосовувався метал.
За проектом арх. В. Ніколаєва в західних ризалітах побудовано нові гранітні сходи. Дещо змінено внутрішню структуру: ліквідовано приділи Трьох святителів (перетворений на ризницю), св. архангела Михаїла (перетворено на архідияконник), преподобних Антонія та Феодосія Печерських на хорах. 1898 під час розчистки приділу преп. Феодосія віднайдено великий скарб з монет 15–18 ст., який згодом передано Ермітажу у Санкт-Петербурзі. З попередніх дев'яти вівтарів залишено п'ять: головний — Успіння Пресвятої Богородиці, на першому поверсі — святих Іоанна Предтечі та архідиякона Стефана, на хорах — Преображення Господнього і св. Андрія Первозванного.
1895–1901 велося оздоблення інтер'єра. Для виконання настінних розписів керівництво монастиря спочатку звернулося до художників В. Васнецова і М. Нестерова, які працювали у київському Свято-Володимирському соборі, але ті не погодилися з різних міркувань. Тому були запрошені професор Імператорської АМ, відомий майстер історичного жанру В. Верещагін та академік архітектури С. Лазарєв-Станіщев, якому доручено загальне керівництво роботами і проектування орнаментів. 14 травня 1894 розроблений ними проект затвердив імператор Олександр ІІІ.
Тематика і розміщення зображень обумовлювалися Богородичною посвятою храму. Богородичні сюжети займали найпомітніші місця у головній апсиді (образ «Матір Божа про тебе радується») і в центральній частині храму, усі інші — місця другорядні. Розпис головного банного простору складався з канонічних зображень Христа Вседержителя (у бані), дванадцяти апостолів (у простінках) і чотирьох євангелістів (на парусах). Західна частина храму відводилася під події та свята, що мали історико-топографічне відношення до Києва. У створенні багатофігурних композицій і окремих образів В. Верещагіну допомагали десять київських художників, головним серед яких був Г. Попов. Орнаменти за ескізами С. Лазарєва-Станіщева виконав академік живопису В. Фартусов з помічниками. У головному вівтарі, жертовнику та дияконнику живопис розміщено на золотому тлі. Усього було виконано бл. 280 олійних зображень заг. пл. до 300 кв. сажнів.
Нове оформлення інтер'єра отримало неоднозначну оцінку сучасників. У зв'язку зі знищенням попереднього розпису наукова громадськість широко обговорювала питання про датування, ступінь збереженості барокового живопису та його історико-художню цінність. Офіційні відгуки були схвальними. Так, на спільному засіданні Імператорської археологічної комісії з представниками Святійшого Синоду та Імператорської АМ стиль нових розписів визнано відповідним візантійському мистецтву 11–12 ст. Високу оцінку малюванню в цілому дав відомий дослідник візантійської культури М. Покровський. Худ. М. Пимоненко відкрито звинуватив духівництво у варварстві. Відомий український мистецтвознавець К. Широцький охарактеризував роботу В. Верещагіна як новомодний безбарвний розпис, що не гармонує ні з блиском старого лаврського іконостаса, ні з духом історії.
1896 розібрано верхні яруси іконостаса, залишено тільки намісний ряд з різьбленими позолоченими колонками. Його мав замінити новий мармуровий іконостас, запроектований арх. О. Щусєвим, разом з огорожею солеї, виготовленої з бронзи. Декоровану плетінкою нову огорожу хорів з білого карарського мармуру виконано за ескізами В. Фартусова. Центральну частину храму було облицьовано панеллю з кольорового мармуру. 1900 паркетну підлогу замінено на пірогранітні плитки. За проектами Є. Єрмакова та В. Ніколаєва перед входами у собор влаштовано металеві ажурні тамбури.
Під час артилерійського обстрілу Києва більшовицькими військами у січні 1919 та боїв з польськими військами у червні 1920 собор пошкоджено, зокрема верхній фронтон з південно-східного боку, стіни жертовника й вівтаря, що отримали три пробоїни, покрівлю, в яку влучив снаряд з боку Трапезної палати, розбито всі вікна. 3 листопада 1941, під час нацистської окупації Києва, собор висаджено в повітря (за однією з версій він був замінований при відступі з міста радянських військ). Епіцентр вибуху містився між північною стіною давнього осередку і прицілом св. Іоанна Предтечі. Збереглися лише у незначному об'ємі стіни апсид, фрагменти давньої північної стіни, два пілони 11 ст., східна частина приділу св. Іоанна Богослова з верхнім вівтарем св. Андрія Первозванного та вінцевою бароковою банею.
З 1945 проводилися роботи з розбирання завалів. Дослідження пам'ятки здійснено 1947 В. Богусевичем, 1951–52, 1962–63, 1970–71 — М. Холостенком (за участю Ю. Асєєва, М. Говденко, Г. Логвина та ін.). 1947–48 укріплено залишки приділу св. Іоанна Богослова, 1962–63 — законсервовано інші фрагменти (арх. М. Говденко). 1981 вирішено відновити собор Успіння Пресвятої Богородиці до святкування 1000-річчя прийняття християнства на Русі, але це рішення не було реалізовано. Проект відбудови розроблено на основі правової та дозвільно-вихідної документації і концепції, затвердженої 25 червня 1998, якою передбачено відтворення пам'ятки у формах бароко 18 ст. Авторський колектив і відповідальні виконавці проекту: А. Антонюк (наукове керівництво), О. Граужис (автор проекту), А. Рожков (автор проекту «Конструкторська частина»), Т. Філіпова (автор проекту інтер'єрів), Н. Шепітько (підготовка історичних матеріалів) та ін. Генеральний підрядчик — корпорація «Укрпроектреставрація», генеральні проектувальники — «Київгенплан» і «Київпроект». 1998–2000 здійснено будівельні роботи з відтворення собору, у 2000 розпочато оздоблення інтер'єра. В структурі храму було збережено автентичні залишки: стіни з фрагментами живопису 19 ст. приділів святих Іоанна Богослова та Андрія Первозванного, мурування апсид, яке датується 11, 15, 17 ст., з'єднано з відновленими частинами споруди. їх не тільки законсервували й реставрували, але й укріпили та зв'язали з новими стінами та склепіннями, сховавши всі нові конструкції. Всередині храму звели малу церкву св. Іоанна Предтечі у гіпотетичному первісному вигляді. Нашарування підлог, фундаменти, мурування стін, фрагменти живопису 19 ст. у вигляді зондажів представлено для огляду. Фундаменти укріплено задавлювальними палями малого діаметра (0,18 м) завдовжки до 23 м, поверх яких влаштовано залізобетонний пояс, стіни
металевими тягами. Склепіння виконано із залізобетону. Плінфу і розетки виготовлено на Київському керамічному заводі. Ліплені прикраси зроблено з гіпсу з доданням скловолокна. Позолочені бані виготовлено на окремому майданчику і змонтовано на місці за допомогою крана.
Роботи з оздоблення фасадів та інтер'єра (ліплення, живопис, виготовлення дверей, позолота, малювання ікон) здійснили ТОВ «Декор», АТ «Україна-Реставрація», ТОВ НВП «Аркант», інститут «Укрзахідпроектреставрація», МСП РВП «Майстер», АТЗТ «Майстерня з реставрації живопису».
Собор забезпечено новітнім технічним оснащенням: повітряним опаленням з використанням каналів 19 ст., теплою підлогою, вітчизняною системою кондиціонерів, підігрівом даху, ліфтом, під'їздом для інвалідних візків тощо. Підсвічування іконостаса виконане ЗАТ «Укрсвітло».
Освячення вівтаря собору відбулося 24 серпня 2000 в День Незалежності України.
Споруда цегляна, на складному розчині, тинькована, побілена, семиверха, у плані хрещата. Бані покрито позолоченими мідними листами по металевому каркасу. їх завершують ліхтарі з маківками та металевими позолоченими хрестами на мідних позолочених кулях-яблуках. Центральний хрест увінчує позолочене зображення голуба. Окрім бань, собор увінчують 48 позолочених рипід. Цоколь облицьовано фігурними гранітними блоками. Віконні заповнення та вхідні двері оздоблено декоративними накладними бляхами. Фасади прикрашає пишний ліплений декор з елементами позолоти, 362 поліхромні майолікові розетки на фризах, 186 живописних композицій, написаних київськими художниками-реставраторами С. Баяндіним і Ю. Гузенком. В інтер'єрі за старими зображеннями відтворено дерев'яні різьблені іконостаси, кафедри, кіоти, амвони і стасидії. Головний п'ятиярусний, сосново-липовий позолочений іконостас (вис. — 21 м, довж. — 25 м) містить 96 ікон, написаних художниками зі Львова. Царські врата іконостаса, що фрагментарно збереглися, є унікальною пам'яткою українського декоративного мистецтва: срібні, різьблені, позолочені, виготовлені 1713 київським майстром М. Юревичем коштом графа Б. Шереметева, перероблені 1746 (реставровано і доповнено втраченими елементами). Престоли та жертовники виконано з цегли, їхнє облицювання — з мідних та срібних позолочених листів, прикрашених карбуванням. Покриття солеї зі східцями — з червоного граніту, огородження солеї &md