Заменила собой старую монастырскую трапезную. Самое заметное из сооружений Киево-Печерской лавры, возведенных в XIX в. (ул. Лаврская, 11).

В конце XIX в. трапезная, сооруженная в 1684—94 гг., перестала удовлетворять монастырь, потому что была слишком мала и к тому же пришла в аварийное состояние. Несмотря на протесты почитателей старины, старое здание было снесено. От него остались лишь фрагменты северной и западной стен с порталом и кухня. В 1893—95 гг. на месте разрушенной Владимир Николаев возвел в русско-византийском стиле новую большую трапезную с пристроенной к ее восточному торцу церковью в честь свв. Антония и Феодосия Печерских.

Двухэтажная на подвале прямоугольная в плане трапезная имеет на первом этаже большой зал, разделенный колоннами на три компартимента (нефа); планировка второго этажа коридорная двурядная. Квадратная в плане церковь с полуциркульной апсидой и прилегающими к ней объемами ризницы и диаконника перекрыта 20-метровым полусферическим куполом. Над западным входом находится миниатюрная колокольня. Сооружение органически вошло в ансамбль Верхней лавры и обогатило его.

Внутреннее оформление церкви и палаты выполнили под руководством академика архитектуры Алексея Щусева. По его проекту был установлен иконостас и размечены стены под живопись. Сюжетные и орнаментальные настенные росписи в технике масляной живописи в интерьере выполнили художники Иван Ижакевич, Г.Попов, П.Верещагин, В.Данилов и А.Лаков. Росписи трапезной были закончены в 1903 г., церкви — в 1910 г.

В 1911 г. рядом с трапезной был похоронен убитый в Киеве Петр Столыпин.

В 1923 г. сооружение было передано Губполитпросвещению для лекционного зала. В 1941 г. трапезная пострадала во время взрыва Успенского собора. Ремонтно-реставрационные работы на фасадах были в целом закончены в 1956 г., восстановление интерьера велось в течение 1976—80 гг. В 1960—80-ые годы в трапезной находился музей атеизма.

С 1990 г. в храме регулярно совершается Богослужение.

С 1992 г. храм является кафедральным собором Украинской Православной Церкви в городе Киеве.

25 июня 2012 года, наместник Свято-Успенской Киево-Печерской Лаврымитрополит Вышгородский и Чернобыльский Павел в сослужении братии монастыря совершил чин освящения накупольных крестов Трапезной палаты храма преподобных Антония и Феодосия Печерских. Крест изготовлен заслуженным архитектором Украины Виталием Отченашко по оригинальным чертежам архитектора Владимира Николаева, датированным концом XIX века. После окропления святой водой крест был поднят и поставлен над входом в Трапезную палату.

9 апреля 2014 года Местоблюститель Киевской митрополичьей кафедры митрополит Черновицкий и Буковинский Онуфрий совершил освящение престола и обновления алтаря Трапезного храма во имя преподобных Антония и Феодосия Киево-Печерской Лавры.