Сооружённый из камня и кирпича-плинфы техникой смешанной кладки в течение 1108—13 гг., крестовокупольный шестистолпный храм с тремя апсидами, нартексом и одним позолоченным куполом получил впоследствии название Михайловский Златоверхий собор. Стены собора были украшены мозаикой и фресками.
В XV—XVIII вв. собор перестраивался, менял облик, стал семикупольным. Вскоре в соборе появился подаренный гетманом Иваном Скоропадским величественный пятиярусный иконостас. В конце XVII в. к северной стороне собора пристроен Варваринский придел, где хранится рака с мощами св. Варвары. В 1716–19 гг. построена трехъярусная каменная колокольня высотой 49 м, завершающая образ собора как жемчужины украинского барокко.
В это время начато и строительство южного — Катерининского — придела, симметричного приделу св. Варвары. В 1934—35 гг. по требованию советских властей собор разобран с разрешением снять мозаики и фрески. Общая площадь сохранившихся мозаик — 45 м2.
Они до сих пор хранятся во многих украинских и российских музеях. 14 августа 1937 г. собор был варварски взорван. Вставшие на его защиту ученые Ф. Эрнст и Н. Макаренко стали жертвами сталинского террора.
Возрождение храма началось в 1997 г. В память о проф. Н. Макаренко возле Экономических ворот монастыря была установлена мемориальная доска. В мае 2000 г. Патриарх Филарет освятил центральный алтарь.
У стен монастыря, чуть левее колокольни, в сентябре 1992 г. установлен памятный знак жертвам голодомора 1932—33 гг. в Украине. В центре Михайловской площади находится памятник княгине Ольге (ск. И. Кавалеридзе, П. Сниткин, арх. В. Рыков, 1911 г.) — первой владычице-христианке на Руси. Рядом с ней — апостол Андрей Первозванный, предрекший возникновение Киева, и славянские просветители Кирилл и Мефодий.
