Південний бічний вівтар в ім'я ікони "Божої Матері Троєручиці" освя­тив 28 листопада 1871, головний пре­стол в ім'я Живоначальної Трійці — 22 липня 1872 митрополит Київський і Галицький Арсеній (Москвін). Протя­гом 1870-х рр. церкву розписав худ. Д. Зайченко (живопис майже повністю втрачено). 1897—1900 за проектом арх. В. Ніколаєва її розширено добудовами з півночі, півдня та заходу, внаслідок чого споруда набула у плані форми прямокутника. Над західним фасадом зведено три глухі декоративні баньки. Добудований північний бічний приділ з престолом в ім'я Всіх Святих освятив 13 жовтня 1900 митрополит Феогност (Лебедєв). 1902—09 церкву розписано. Сюжетний та орнаментальний живо­пис виконали художники живопис­ної майстерні монастиря Г. Золотов,

В. Липкаський, М. Морев, Сахаров, за участю та під керівництвом А. Лакова та Г. Попова, які одночасно оформлю­вали Трапезну церкву в ім'я преподоб­них Антонія та Феодосія Печерських і трапезну Києво-Печерської лаври. Кілька ікон для храму написали худ. Г. Вигуров та іконописці майстерні К. Юрчевського. 1902 у майстерні М. Бергера виготовлено металеві сходи до ризниць. Опалювалася чотирма ках­ляними грубами. Внутрішні двері були дерев'яними заскленими, зовнішні — обшиті бляхою. Згодом вхід у церкву здійснювався через прибудований пря­мокутний у плані засклений тамбур. Споруда дуже постраждала від вибуху складів артснарядів на Звіринці 1918: пошкоджено дах, тиньк, стелі, живопис та іконостас, повністю вибито вікна і двері тощо. 1918—19 проведено ре­монтні роботи.

Після закриття монастиря церкву пере­дано релігійній громаді, у 1930 — на поч. 1934 діяла як парафіяльний храм. Закрита за постановою президії Київ­ської міськради від 15 лютого 1934. У 1934 в ній містився склад «Гастрономторгу». В 1942-44 — діючий храм, потім тривалий час перебував у занед­баному стані, використовувався для господарських потреб Ботанічного са­ду. 1973 розпочато ремонтно-рестав­раційні роботи за проектом арх. Г. Сапожникової, з 1975 — консервацію жи­вопису. 1993 храм передано Україн­ській православній церкві. Упродовж 1990-х рр. проведено ремонт споруди, реставрацію живопису (художники-реставратори — О. Єрко, А. Марампольський, М. Романченко та ін.) й відтво­рення втрачених композицій.

2001 підбанник північної баньки переоблад­нано під дзвіницю, на якій на поч. 2002 встановлено десять дзвонів.

П'ятинавна, цегляна, пофарбована по цеглі у два кольори, трипрестольна, шістнадцятистовпна, з однією великою світловою і трьома декоративними баньками, у плані майже прямокутна.

Із західного боку розташовані два наріжні підвищені об'єми квадратних у плані двоповерхових ризниць (з мета­левими сходами, одні з яких гвинтові), завершені цибулястими декоративними баньками на гранчастих підбанниках. Гранчастий підбанник над центром прямокутного в плані нартекса, влаштованого між ризницями, увінчано такою самою за формою банькою. Восьмигранний світловий підбанник з дерев'яним напівсферичним склепінням увінчує середню частину передвівтарного компартимента й разом з високими вікнами забезпечує вер­тикальне розкриття та освітлення в цілому невисокого внутрішнього про­стору храму. В організації інтер'єра велику роль відіграє чотирирядна сис­тема стовпів, з'єднаних напівциркуль­ними арками, що поділяють внутрішній простір на п'ять нав. Чотири стовпи підтримують підбанник головної бані. Нартекс від нав відділяє трипрогінна аркада. Північний і південний входи, підкреслені піднесеними трикутними фронтонами, ведуть у передвівтарну частину, ще один вхід — у південний бічний вівтар. У нішах обабіч північно­го входу впродовж 2-ї пол. 20 ст. місти­лися ікони на металі (не збереглися). Перекриття пласкі дерев'яні, балкові. Вальмовий дах і бані з бляшаним по­криттям.

В архітектурному вирішенні перева­жають форми історизму з елементами ренесансу, українського бароко, неоросійського стилю. Найбільш вираз­ною є композиція головного (західного) фасаду, побудована за центральноосьовою схемою. Нартекс прорізано трьома отворами входів, оформлених напівциркульними архівольтами, по­ставленими на бічні лопатки. Чолові фасади ризниць містять подвійні напівциркульні вікна з люкарною над кожним, бічні фасади — парні аркові ніші. Західні вікна ризниць вписано у великі триступінчасті ніші незначного заглиблення, верхні частини контуру яких акцентовано ритмом декоратив­них зубців. Північний, південний та східний фасади розчленовано нерівномірним ритмом напівциркульних вікон з прямокутно-сітчастим засклен­ням, лиштви яких на північному та південному фасадах складаються з біч­них лопаток і напівциркульних архі­вольтів, на східному фасаді — кілеподібних. Різновисокі об'єми заверше­но гладенькою смугою фриза і вінце­вим профільованим карнизом. Пласти­ку фасадів підсилюють прямокутні підвіконні фільонки та міжвіконні ло­патки, які виявляють тектонічну струк­туру споруди і є важливим елементом архітектурного оформлення. Переваж­но горизонтальний характер компо­зиції фасадних площин збалансовано системою головної та трьох західних бань на високих струнких підбанниках, що надає вертикальності і поліпшує сприйняття силуету споруди. Праворуч від центральної нави — сходи до підземного склепу, де покояться мощі преп. о. Іони.

З історико-мистецької точки зору най­більший інтерес становлять розписи нартекса, на простінках якого вміщено сцени страсного циклу: «Розп'яття», «Воскресіння» та «Сходження в пек­ло». На торцевих стінах праворуч — композиції «Заспокоєння усіх скорбот­них», ліворуч — «Тит і Євагрій». Роз­писи виконано в стилі пізнього ака­демізму. Вони належать пензлю худож­ників різного фахового рівня. Друга композиція значно цікавіша од першої за своїми живописними якостями. Це робота досвідченого майстра, що особ­ливо відчутно у фактурно розкутому моделюванні форм, у тонких і динаміч­них переходах тепло-холодних колір­них нюансів. Цікава вона і з погляду інтерпретації іконографічної традиції, виробленої Києво-Печерським монас­тирем у виданні «Патерика Печерського» 1661 і 1702, в гравюрах Прокопія та Л. Тарасевича, що зображують чудо­дійне зцілення ченця Тита і загибель затятого у ворожнечі до нього Євагрія. Автор розпису майстерно поєднав де­талі та пластичні ходи, притаманні ілю­страціям обох граверів. Як і в Про­копія, дія розгортається у просторі мо­настирського покою, серед якого ангел за руку підводить з ліжка смертельно хворого Тита і вражає вогненним спи­сом немилосердного Євагрія на подив ченцям — свідкам чуда, які стоять по­руч і так само, як і в гравюрі Прокопія, зазирають крізь відчинені двері. Водно­час постать Євагрія, афект здивування чудом усіх присутніх, деякі інші харак­терні деталі (наприклад, палаючий спис-блискавка в руках ангела) пов'я­зані з образним трактуванням теми у Л. Тарасевича.

Обрамлення сюжетних композицій та арки, що поєднують простір нартекса і нав, мають багате рослинно-орнамен­тальне оздоблення з використанням мотивів хреста, квітки-розети, шести­променевої зірки. В орнаментах до­мінують зіставлення блакитно-сірого, вохристо-жовтого, темно-пурпурового та оливково-зеленого кольорів.

У нартексі встановлено два однакові різьблені з дубового дерева кіоти, ви­конані в єдиних формах з сучасним головним іконостасом церкви. У лівому кіоті вміщено ікону «Богоматір Печер­ська» з пристоячими преподобними Антонієм та Феодосієм Печерськими та ангелами. У нижньому правому куті ікони — мініатюрний ковчежець — от­вір у вигляді зірки з часткою мощей преподобного Феодосія. В правому кі­оті — ікона Христа на престолі з преподобними Серафимом Саровським та Іоною обабіч. Під постатями препо­добних відповідно містяться зірки-релікварії з частками їхніх мощей. Оби­дві ікони виконано у стилі іконопису ст. з притаманною йому мелодій­ністю силуетів, прозорим яскравим ко­лоритом.

Нартекс з'єднується з навами трипрогінною аркадою, на гранях якої міс­тяться зображення святих апостолів Петра і Павла, преподобних Антонія і Феодосія Печерських, а також щільний рослинний орнамент. Над аркою, з бо­ку нави — сцена «В'їзд до Єрусалима», що є реплікою відповідної композиції П. Сведомського у київському Володимирському соборі. Стелю центральної нави прикрашає написаний на полотні плафон із зображенням Покрови Бого­родиці. Сучасна композиція є копією, виконаною за збереженими фрагмен­тами плафона поч. 20 ст. В ній зобра­жені візантійський імператор Лев VI Мудрий, Роман Солодкоспівець, Анд­рій Юродивий, чернець Єпіфаній та ін. На відміну від поширеного в Україні типу «козацьких Покров», це не бага­толюдна, а досить камерна сцена з чіткою симетричною будовою. У наст­рої зображених передано тривожний смуток і надію. Особливе змістовне навантаження в композиції відіграють повторені тричі рефреном жести вгору Романа, Андрія Юродивого та Христа на іконі за ними. Верхня частина ком­позиції виходить за межі зображеного храмового інтер'єра. Богоматір постає в оточенні Іоанна Хрестителя, пророка Мойсея, інших святих та ангелів серед хмар. Півколо їхніх легких і водночас динамічних силуетів замикає компо­зиційне ціле та утворює навколо постаті Богоматері своєрідний вінок. У розписі переважають сіро-зелені та червоно-вохристі відтінки.

Над поздовжніми арками центральної нави вміщено зображення Собору Всіх Святих. Ліворуч — святителі Іоанн Зла­тоуст, Василій Великий, Григорій Бого­слов у митрах та коштовних строях; за ними щільний ряд святих — всьо­го 25 постатей. Навпроти — апостол Іаков — брат Господній, святі Кирило і Паїсій — патріархи Олександрійські, інші святі. Насичений, яскравий живо­пис має характер, притаманний цер­ковним розписам кін. 19 ст.

Розписи центральної бані та парусів під нею виказують іншу авторську манеру та стилістику, характерну для поч. 20 ст. На склепінні бані зображена Трійця — Бог Отець та Бог Син обабіч хреста, над ними у повітрі — голуб Святий Дух. На міжвіконних простін­ках підбанника зображено архангелів, нижче — живописний фриз із Старозаповітною Трійцею та ангелами на хмарах. Таким чином, провідна тема храму особливо акцентована і продовжує давню іконографічну традицію осягнення догмата Трійці. Тут вона на­була оригінального звучання завдяки об'єднанню у межах єдиної композиції типів Старозаповітної та Новозаповітної Трійці у їх внутрішньому симво­лічному взаємозв'язку.

На парусах збереглися зображення євангелістів, виконані тим самим май­стром і трактовані в реалістичній манері на тлі краєвидів з виразними пленерними ефектами. На підбанних стовпах є образи сучасної роботи, пра­воруч — св. страстотерпця царя Мико­ли ІІ, зображеного у бармах і шапці Мономаха, та св. Флавіана; навпроти, ліворуч — св. рівноапостольного князя Володимира та св. Афанасія. З-поміж них найцікавішим є зображення князя Володимира — майстерна, сповнена руху та настрою переробка відомого образа В. Васнецова.

Чотириярусний, різьблений з дуба іко­ностас центральної нави виконаний за проектом арх. І. Малакової у 2000. Художнє вирішення іконостаса поєд­нує елементи, притаманні візантійській передвівтарній перепоні з пізнішими формами.

У правій південній наві церкви, при­свяченій Богоматері Троєручиці, 2002 встановлено двоярусний іконостас (худ. А. Репетовський), тонований під темне дерево. Його орнаментальне різьблення неглибоке. Верхню частину трактовано у вигляді кілеподібних арок-кокошників, увінчаних хрестами, що надає загальному силуетові верти­кальної динаміки і пластичності. В орнаментиці іконостаса переважають мотиви плетінки, стилізованої пальме­ти, медальйонів з квітковими розетами тощо. В іконостасі цієї нави містяться ікони, присвячені засновникові монас­тиря преп. Іоні та історії чудотворного образа Божої Матері «Троєручиці»: «Преподобний Симеон Білоберезький та преподобний Іона», «Богоматір Троєручиця», «Спас Нерукотворний», «Св. Сава Сербський та Іоанн Дамаскин» й ін. Усі ікони наслідують стилістику іконопису 15 ст. У вівтарній частині нави збереглися розписи поч. ст.: «Благовіщення», «Христос Все­держитель», «Зустріч Марії та Єлизаве­ти». Усім їм, як і підписаній М. Моревим композиції, присвяченій преп. Антонію, притаманні жорсткуватий рису­нок, застосування прозорого лесирування.

Розписи у вівтарній частині із зобра­женнями «Таємної вечері», св. Філарета, священномученика Володимира, ан­гелів на стовпах виконав худ. О. Вовченко.

У передвівтарній частині бічного вівта­ря в ім'я ікони Божої Матері «Троєру­чиці» над південним входом до церк­ви зображено чудесне видіння о. Іоні 1 березня 1861. У центрі — Богоматір з ігуменським жезлом, оточена вогнен­ними язиками (як на іконі «Неопалима Купина»). Навколо неї — святі, які були присутні під час видіння. Право­руч — 33 святі: преподобні Афанасій Афонський, Антоній та Феодосій Печерські, митрополит Київський Михаїл, преподобні Петро Афонський, Феодор Студит, Антоній Великий, Феодосій Великий, Пахомій Великий та ін. Ліво­руч — 29 зображень, серед яких 12 святих апостолів, рівноапостольні ім­ператор Константин та його матір — св. Єлена, рівноапостольний князь Во­лодимир, княгиня Ольга, князь Олек­сандр Невський, мученики князі Борис і Гліб.

Мистецьке оздоблення південної нави цікаве композицією на західній стіні, присвяченою преп. Антонію, та плафо­ном сучасної роботи «Різдво Христо­ве». Композиція містить сцену проводу перед ворітьми одного з афонських монастирів майбутнього засновника Києво-Печерської обителі — ченця Антонія. Процесію афонських ченців очо­лює ігумен, який благословляє послан­ця. Дія розгортається на тлі достовірно відтвореного архітектурно-природного краєвиду Святої гори, в якому перева­жає тонка колірна гама з притаманною їй м'якою вібрацією відтінків. Це дало змогу досягти цілісного поєднання пей­зажного тла та майже монохромної центральної групи ченців у темно-бру­натних мантіях і рясах. Рух спрямовано на глядача. Розташуванням та деталь­ністю розробки виокремлено постаті ігумена та Антонія. Розпис неоднора­зово поновлювався, про що свідчить фрагмент ліворуч, де крона дерева й тінь від нього мають сліди пізніших по­новлень. З лівого боку композиції під­пис худ. М. Морева і дата — 1903. Плафон «Різдво Христове» (полотно, олія) так само, як і інші складові живо­писного декору південної нави, викона­ли у 2000 художники О. Вовченко та О. Бєлянський. Зображення скомпоно­ване у видовженому вертикальному форматі. Плафон вирізняється контра­стним зіставленням кольорових пло­щин: інтенсивно-синього неба, корич­нево-червоної скелі, яскравого пурпуру мафорія Богоматері тощо. Виконана на досить високому професійному рівні композиція «Різдво», з одного боку, де­монструє прагнення сучасних авторів дотриматися формально-стилістичної єдності в живописі плафонів із зразка­ми поч. 20 ст., з другого — криє в собі духовний досвід і вплив стилістики попередньої доби. У малій південній наві вміщено ікону 18 ст. «Богоматір Одигітрія» (збереглась її права части­на) та кронштейн для лампади, вилу­чені 1941 з руїн Свято-Успенського собору Києво-Печерської лаври. Одноярусний іконостас північного біч­ного вівтаря в ім'я Всіх Святих вста­новлено 2003. Виготовлений за старо­винним зразком, вирізняється вишу­каним орнаментом і пропорційністю форм. На західній торцевій стіні північної нави — велика багатофігурна композиція «Нагірна проповідь». Вона повторює втрачений оригінал із Лаври, що став взірцем і для відповідної ком­позиції в церкві Миколи Притиска на Подолі в Києві. Проте, на відміну від останньої, в розписі Свято-Троїцької церкви композиція не пристосовувала­ся до зміненого формату і зберігає повноту своєї об'ємно-просторової по­будови. Краща вона і за малюнком та живописними якостями. Центральна постать Христа-проповідника на па­горбі під пишною кроною дерева, юрба різних за виглядом і віком слухачів, розлогий краєвид — усе зображено в академічній манері поч. 20 ст., вдало врівноважено і вписано в горизонталь формату. В теплому колориті перева­жають вохристо-рудуваті, оливково-зе­лені й брунатні відтінки. Живопис ком­позиції не вирізняється особливими знахідками чи ефектами, проте це до­кладна оповідь про один з центральних євангельських епізодів, що максималь­но наближена до історико-релігійного жанру. У правій нижній частині розпи­су зберігся авторський підпис: «июля Липкаский В.». Над вхідними північними дверима — сцена явлення о. Іоні Пречистої Діви із сонмом свя­тих, яке, за його свідченням, відбулося 9 березня 1862. Владичицю зображено у вогненній купині у блакитній мантії, з царським вінцем, у правій руці вона тримає кропило. Її оточують праворуч: апостол Петро з чашею святої води, далі апостоли Іаков та Іоанн Богослов, преподобні Афанасій Афонський, Феодор Студит, Антоній і Феодосій Печерські та ще 30 святих. З лівого боку: св. Іоанн Хреститель, апостоли Павло, Матфей, Марк, Андрій, Симон, Филип, Лука, Фома і Варфоломій, святитель Василій Великий, Григорій Богослов, Іоанн Златоуст; праотці Авраам, Ісаак, Іаков, цар Мелхіседек; пророки Мойсей, Аарон, цар Давид, цариця Феодо­ра, Ісайя та Ієремія, Ісус Навін, Ілія, Єлисей, Ієзекіїль, Даниїл та Іов Багатостраждальний. Цю композицію, що вкриває всю стіну, написано олією по тиньку. Серед інших розписів північної нави — зображення преподобних Нестора Літописця та Аліпія Іконописця, написані за оригіналами В. Васнецова з Володимирського собору в Києві. Тут також відновлено образи преподоб­них Ігнатія, архімандрита Печерського, князів Андрія Боголюбського й Олек­сандра Невського.

У північній вузькій наві орнаментальні розписи стелі було повністю втрачено, нині відновлено за старими фото­графіями.

Збиті під час перепланувань приміщен­ня значні фрагменти орнаментальних розписів у поздовжніх арках перебува­ють у процесі відтворення. Найцінніші розписи на стінах збереглися у задо­вільному стані, зокрема, у західній час­тині нави композиція худ. Сахарова, що з незначними варіаціями повторює відому картину І. Рєпіна «Св. Микола Мірлікійський рятує трьох невинно засуджених». На арках у середній час­тині нави — відреставровані компо­зиції «Втеча в Єгипет», навпроти — «Здвиження Чесного Хреста», над схід­ною аркою — «Успіння Богоматері». «Втечу в Єгипет» за характерними живописними прийомами, темпера­ментним пастозним моделюванням форм та посиленням ролі пейзажного тла можна приписати автору єван­гелістів на парусах. Дві інші композиції також, імовірно, виконані рукою одно­го живописця в притаманній йому ма­нері поєднання локальних яскравих фарб з сухим дрібно деталізованим ри­сунком, в якому відчутне наслідування гравірованих взірців.

Храм — цінна пам'ятка церковної архі­тектури і монументального мистецтва кін. 19 — поч. 20 ст. Належить до рідкісного типу безапсидних церков. Відіграє важливу роль у панорамі пра­вого берега Дніпра. Монументальний розпис церкви є зразком у цілому вда­лого поєднання реставрації автентич­них частин оздоблення інтер'єра та їх сучасних доповнень [1368].