En 1709 se construyó una iglesia en las catacumbas. Sus dimensiones son de 9 por 6 metros, y la bóveda está sostenida por cuatro columnas, cada una de más de un metro de diámetro. Obtener permiso para la consagración de la iglesia subterránea resultó ser una tarea complicada. El metropolitano Esteban Yavorsky, que actuaba como patriarca, dio permiso para la apertura de la iglesia solo el 30 de mayo de 1711, tras la solicitud de las princesas María y Teodosia, hermanas de Pedro I. Ellas donaron a la iglesia un iconostasio con íconos, libros de servicio, recipientes de estaño, vestimentas, dinero y catorce partes de las reliquias de los milagrosos de Kiev-Pechersk, que se guardaban bajo el altar.

Los servicios en la iglesia subterránea continuaron hasta la década de 1730. Debido a la ventilación deficiente, la humedad dañaba la madera y los libros. Después de la partida y muerte del fundador del monasterio, Juan, la iglesia no fue utilizada durante mucho tiempo.

En agosto de 1778, durante la consagración de la nueva catedral de la Asunción en el desierto de Sarov, el obispo de Vladimir, Jerónimo, visitó la iglesia subterránea y propuso reanudar los servicios en ella. Para ello, se requerían reparaciones. El penziano Nicolás Afanasievich Radíchev, padre del escritor A.N. Radíchev, ofreció su ayuda. Compró una losa de mármol para el altar, fabricada en San Petersburgo. También se hizo un iconostasio de hierro fundido, se construyó un conducto de ventilación y se instaló una cúpula con una cruz sobre él. Después de las reparaciones, el obispo Jerónimo consagró la iglesia el 15 de agosto de 1780.

Debido a la humedad, el iconostasio y los utensilios de la iglesia de Antonio y Teodosio tuvieron que ser renovados. Bajo el abad José, el iconostasio de hierro fundido fue reemplazado por uno de cobre plateado con íconos dorados. El iconostasio tenía una longitud de 5,6 metros y una altura de 2,1 metros. Los servicios se realizaban una vez al año, en el día de la memoria de los milagrosos de Kiev-Pechersk, y las cuevas se utilizaban para excursiones.

El 18 de julio de 1903, durante la canonización de Serafín de Sarov, las cuevas fueron visitadas por Nicolás II.

En la época soviética, las entradas a las cuevas fueron cubiertas de basura. En 1992, la asociación "Desierto de Sarov" descubrió la entrada a las cuevas y una inscripción en una de las columnas: "Año 7199. Desde el nacimiento de Cristo, 1691, indicto 14, comenzó a cavarse esta cueva. Año 1711, indicto 6, se consagró en ellas esta iglesia de los venerables padres Antonio y Teodosio de Pechersk".

En 1995, el complejo de cuevas fue transferido al museo de la ciudad. Entre 2000 y 2002 se realizaron reparaciones: se despejaron más de 300 metros de galerías, se acondicionaron la entrada y la salida de emergencia, se reforzaron las áreas peligrosas, se restauraron los conductos de ventilación y se instaló iluminación. En 2003 se instaló un iconostasio metálico en la iglesia de Antonio y Teodosio. En 2006, el complejo fue transferido a la Iglesia Ortodoxa Rusa.

El 6 de septiembre de 2011, el Arzobispo Jorge consagró la iglesia subterránea en honor a Antonio y Teodosio de Kiev-Pechersk. Actualmente se han restaurado alrededor de 400 metros de pasajes subterráneos.