En 1709, une église a été construite dans les souterrains. Ses dimensions sont de 9 sur 6 mètres, et la voûte est soutenue par quatre colonnes, chacune ayant plus d'un mètre de diamètre. Obtenir la permission de consacrer l'église souterraine s'est avéré être une tâche difficile. Le métropolite Stéphane Iavorski, agissant en tant que patriarche, a donné la permission d'ouvrir l'église seulement le 30 mai 1711 après la demande des princesses Marie et Théodose, sœurs de Pierre Ier. Elles ont offert à l'église un iconostase avec des icônes, des livres liturgiques, des vases en étain, des ornements, de l'argent et quatorze morceaux des reliques des saints de Kiev-Petchersk, qui étaient conservés sous l'autel.

Les services dans l'église souterraine ont continué jusqu'aux années 1730. En raison d'une ventilation insuffisante, l'humidité a endommagé le bois et les livres. Après le départ et la mort du fondateur du monastère, Jean, l'église n'a pas été utilisée pendant longtemps.

En août 1778, lors de la consécration de la nouvelle cathédrale de la Dormition dans le désert de Sarov, l'évêque de Vladimir, Jérôme, a visité l'église souterraine et a proposé de reprendre les services. Pour cela, des réparations étaient nécessaires. Un habitant de Penza, Nicolas Afanassievitch Radichtchev, père de l'écrivain A.N. Radichtchev, a proposé son aide. Il a acheté une plaque en marbre pour l'autel, fabriquée à Saint-Pétersbourg. Un iconostase en fonte a également été réalisé, une cheminée de ventilation a été installée, et un dôme avec une croix a été placé au-dessus. Après les réparations, l'évêque Jérôme a consacré l'église le 15 août 1780.

En raison de l'humidité, l'iconostase et les objets liturgiques de l'église d'Antoine et Théodose devaient être renouvelés. Sous l'abbé Joseph, l'iconostase en fonte a été remplacée par un en cuivre argenté avec des icônes dorées. L'iconostase mesurait 5,6 mètres de long et 2,1 mètres de haut. Les services étaient célébrés une fois par an, le jour de la mémoire des saints de Kiev-Petchersk, et les grottes étaient utilisées pour des excursions.

Le 18 juillet 1903, lors de la canonisation de Séraphim de Sarov, les grottes ont été visitées par Nicolas II.

À l'époque soviétique, les entrées des grottes étaient ensevelies sous les débris. En 1992, l'association "Désert de Sarov" a découvert l'entrée des grottes et une inscription sur l'un des piliers : "Année 7199. Depuis la naissance du Christ 1691, 14ème indiction, ce caveau a commencé à être creusé. Année 1711, 6ème indiction, le 6 mai, cette église des saints pères Antoine et Théodose de Petchersk a été consacrée."

En 1995, le complexe souterrain a été transféré au musée municipal. De 2000 à 2002, des réparations ont été effectuées : plus de 300 mètres de galeries ont été nettoyés, l'entrée et une sortie de secours ont été aménagées, des zones dangereuses ont été renforcées, les cheminées de ventilation ont été restaurées et l'éclairage a été installé. En 2003, un iconostase métallique a été installé dans l'église d'Antoine et Théodose. En 2006, le complexe a été transféré à l'Église orthodoxe russe.

Le 6 septembre 2011, l'archevêque Georges a consacré l'église souterraine en l'honneur d'Antoine et Théodose de Kiev-Petchersk. Actuellement, environ 400 mètres de passages souterrains ont été restaurés.