Кирилловская церковь была построена в середине XII века на далекой окраине древнего Киева — Дорогожичах. Отсюда основатель церкви черниговский князь Всеволод Ольгович в 1139 году взял штурмом Киев в ходе междоусобной борьбы за великий киевский престол. Для представителей династии Ольговичей храм служил загородной резиденцией и фамильной усыпальницей. В 1194 году здесь был погребен киевский князь Святослав — герой древнерусской поэмы «Слово о полку Игореве».

За время своего существования Кирилловская церковь знала периоды запустения, ремонты, оновления. В 1748—1760 гг. здесь при участии известного украинского зодчего И. Григоровича-Барского были построены каменные монастырские здания, от которых до наших дней сохранилась лишь часть ограды с угловой башенкой. После перестроек XVII—XVIII вв. древняя Кирилловская церковь получила современный внешний облик с характерными чертами украинской барочной архитектуры. В 60-е годы XIX века Кирилловская церковь становится в центре внимания общественности: под штукатуркой XVIII века на ее стенах были обнаружены фресковые росписи XII века. В 1881—1884 гг. под руководством профессора А. Прахова в храме проводятся огромные работы по расчистке фресок и поновлению стенописи. В 1884 году здесь работал Михаил Врубель.

В мае 1929 года Кирилловская церковь была объявлена Государственным историко-культурным музеем-заповедником. Здесь развернулись исследовательские работы, прерванные Великой Отечественной войной. В послевоенное время в храме проводились большие противоаварийные работы по укреплению стен и фундаментов, деформировавшихся из-за разрушения древних подземных ходов. Только после этого были продолжены архитектурно-археологические исследования, расчистка и реставрация живописи. Архитектура Кирилловской церкви хорошо сохранилась с XII века. Перестройки XVII—XVIII вв. выразились в основном в перекладке части сводов, достройке четырех боковых куполов, возведении пышного фронтона над входом, оформлении окон и порталов лепным декором. Древние архитектурные формы четко читаются под этими достройками.

Стены Кирилловской церкви покрыты живописью — фресками XII века, раскрытыми из-под масляных записей, отдельными фрагментами темперной росписи XVII века и масляными работами XIX века на участках, где фрески не сохранились. От древних фресок, украшавших все помещения храма, осталось около 800 квадратных метров росписей, представляющих собой ценные художественные произведения периода Древней Руси.