По лаврскому преданию, основателем обители считается св. блгв. кн. Андрей Боголюбский (†1174, пам. 4/17 июля), получившего прозвание Китай. Другое толкование названия связано с находившимся здесь древнерусским укрепленным городищем — южным форпостом Киева (тюркское слово «китай» означает укрепление, крепость).

Принято считать, что скит возле древних Китаевских пещер возник в XVII в. Однако засвидетельствованная документами история обители начинается с 1716 г., когда на средства Дмитрия Голицына здесь построены деревянная церковь в честь св.Сергия Радонежского, трапезная и келии. Новую трапезную, тоже деревянную, с церковью в честь Трех российских святителей — Петра, Алексия и Ионы — была сооружена на пожертвования императрицы Елизаветы Петровны, посетившей пустынь в 1744 г. После пожара 1757 г. Синод дал разрешение на сооружение новой, кирпичной Троицкой церкви, которая была освящена в 1767 г. В 1830-х годах была построена 45-метровая колокольня, трапезная с церквями Двенадцати апостолов и Трех российских святителей (деревянная церковь была перенесена в Голосеевскую пустынь), келии, дом настоятеля, хозяйственные сооружения. По проектам Павла Спарро были построены братский корпус ("старый дом", 1843-44), кирпичная ограда с экономическими воротами (1851—52). После того, как к этим сооружениям добавились три келейных корпуса и баня (1870-е годы) и двухэтажный "новый дом" для престарелых священнослужителей (1894, инженер О.П.Середа), подворье получило форму шестиугольника, окруженного со всех сторон зданиями.

Многие китаевские старцы-монахи отличались подвижничеством. Некоторые из них выбирали юродство, другие — затворничество. Поэтому еще с XVIII в. Китаево приобрело славу киевского Афона, стало местом паломничества, разрешение на посещение которого давала Лавра. Каждый старец был духовником, имел много духовных чад из мирян и духовных лиц, посещавших его здесь беспрепятственно. Самыми известными из китаевских старцев были Досифей (после смерти которого выяснилось, что на самом деле это женщина) и Феофил.

Пустынь выполняла роль сельскохозяйственной "экономии", а также служила Лавре кладбищем. Во второй половине XIX в. было основано отдельное хозяйственное подворье, где были построены старый и новый корпуса богадельни (1867, 1871), жилой корпус (архитектор Владимир Николаев, 1898). К новому корпусу в 1904 г. пристроена церковь св.Серафима Саровского. С 1898 г. действовал лаврский свечной завод.

В 1920-е годы храмы продолжали действовать, но сама пустынь монахам уже не принадлежала: в келиях разместилась детская колония, часть сооружений использовалась сельскохозяйственными заведениями. В 1930 г. пустынь была окончательно ликвидирована, территория и здания переданы Всесоюзному исследовательскому институту плодового и ягодного хозяйства (с 1954 г. — Украинский НИИ садоводства). Колокольню разобрали в 1932 г., другие сооружения сильно пострадали во время Второй мировой войны. После войны в пустыни размещались Республиканский учебно-производственный комбинат пчеловодства и Украинский научно-исследовательский институт защиты растений.

В 1978-81 гг. проходила реставрация экстерьера Троицкого храма архитекторами В.Безякиным, Р.Быковой и Г.Максимовой.

В 1990 году в день праздника Святой Троицы состоялось первое богослужение в храме преподобного Серафима Саровского. Этот день смело можно считать началом возрождения Китаевской пустыни. В этом году состоялась расчистка подземной церкви и благословение престола во имя прп. Досифеи.

После реставрации Свято-Троицкая церковь как приходская была передана УПЦ (1992) вместе с отремонтированной трапезной с келиями.

В 1994 г. возродилась монастырская жизнь. Первым начальником восстановленного скита стал архимандрит Пафнутий (Россоха, в схиме Феофил; 1929—1996). После археологических исследований 1993–94 гг. были обустроены пещеры, где освящен храм в честь св. Досифея.

С 1996 г. обитель имеет статус самостоятельного монастыря, ее возглавляет архимандрит Прохор (Костюченко).

Свято-Троицкий приходской храм в 2009 году был возвращен монастырю и 27 декабря этого года Блаженнейший Митрополит Киевский и всея Украины Владимир совершил освящение престола Свято-Троицкого храма.

24 мая 2012 года, в день Вознесения Господня, Предстоятель Украинской Православной Церкви посетил Свято-Троицкий мужской монастырь города Киева Китаеву пустынь, где после обновления освятил престол соборного Свято-Троицкого храма и совершил Божественную литургию. Ему сослужили: наместник Пантелеимоновского женского монастрыря архиепископ Яготинский Серафим, наместник Свято-Троицкого Ионинского мужского монастыряепископ Обуховский Иона, наместник Свято-Покровского мужского монастыря г. Киева (Голосеевская пустынь) архимандрит Исаакий (Андроник), наместник Китаевской пустыни архимандрит Прохор (Костюченко) и духовенство обители.

6 июля 2013 года Блаженнейший Митрополит Киевский и всея Украины Владимир освятил возрожденный монастырский храм во имя преподобного Серафима Саровского. Его Блаженству сослужили: митрополит Бориспольский Антоний, архиепископ Переяслав-Хмельницкий и Вишневский Александр, епископ Макаровский Иларий, епископ Ирпенский Климент, епископ Бородянский Варсонофий, наместник монастыря архимандрит Прохор (Костюченко) и братия монастыря в священном сане.

Храмовые праздники: День Святой Троицы.

Святыни: Мощи прп. Феофила, Христа ради юродивого — в Свято-Троицком приходском храме. Мощи прп. Досифеи — под спудом у северной стены того же храма. Ковчежец с частицами мощей многих святых. Иконы с частицами мощей прп. Серафима Саровского, мч. Трифона, блгв. кн Даниила Московского. Чтимая Ватопедская икона Божией Матери «Закланная».

Наместник — архимандрит Прохор (Костюченко).