Последняя церковь, носившая название Крестовоздвиженской, сгорела в 1677 году. В 1690 году на её месте появилась первая деревянная Андреевская церковь, которая со временем разрушилась. На горе был установлен Андреевский крест. В середине XVIII века по указу императрицы Елизаветы началось строительство новой Андреевской церкви. Было несколько проектов, но предпочтение отдали итальянцу Бартоломео Растрелли. Архитектор Иван Мичурин, который существенно дополнил проект Растрелли, руководил строительством. Строительство задерживалось из-за нежелания священников снимать освященный крест. В 1749 году работы начались.

Андреевская церковь считается последним шедевром Бартоломео Растрелли. Она возвышается на Старокиевской горе, на месте бывшего бастиона. Построена по заказу Елизаветы Петровны, проект разработан Растрелли в 1748 году, а строительство велось с 1749 по 1754 год под руководством Ивана Мичурина. В создании храма участвовали мастера из Петербурга, Москвы и Киева, что делает его памятником сотрудничества русских и украинских мастеров.

Церковь многократно ремонтировалась. После смерти Елизаветы Петровны она пришла в запустение. Освящение состоялось в 1767 году. В XIX веке купол несколько раз ремонтировался, что привело к искажению его первоначальной формы. В 1970 году были получены фотокопии чертежей Растрелли, по которым в 1978 году купол был восстановлен.

Андреевская церковь, яркий пример барокко, стиля, который пришел с запада и приобрел национальные черты. Для барокко характерны парадность, эффектность и богатый декор. Все эти черты присущи Андреевской церкви.

Храм стоит на стилобате, который представляет собой двухэтажное здание. К нему ведет широкая чугунная лестница. Церковь имеет крестообразную форму, её размеры 31 на 20 метров, высота 47 метров. Внутри перекрыта большим куполом, снаружи это пятиглавый храм. Фундаменты были заложены на разной глубине из-за сложных условий участка. В 1844 году деревянная лестница была заменена на чугунную.

Церковь часто находилась под угрозой разрушения из-за сдвигов грунта. В 1787 году она пришла в запустение, но была спасена Екатериной II. В 1843 году из-за сдвига церковь дала трещину, и была проведена реставрация. В начале XX века храм снова столкнулся с проблемами, и его реставрация была завершена в 1900 году.

Экстерьер церкви богат декором. Стены и купола украшены пилястрами и колоннами. Окна обрамлены лепным орнаментом, на фронтонах размещены чугунные картуши. Яркая раскраска фасадов усиливает их живописность.

Интерьер церкви также богат декором. Главным акцентом является иконостас, выполненный по проекту Растрелли. Живопись церкви, выполненная в середине XVIII века, представляет собой светские картины с эффектными позами и нарядными одеждами.

В 1968 году Андреевская церковь стала музеем. В настоящее время она отреставрирована. Среди святынь церкви, частица мощей Андрея Первозванного. В 2018 году церковь была передана в пользование Константинопольскому Патриархату для проведения богослужений.