Церковь была построена в 1696-1703 годах на средства зажиточного прихожанина И. Ф. Протодьяконова и полностью соответствует местному архитектурному стилю второй половины XVII века. Это бесстолпное, кубическое здание, изначально имевшее пять глав, с невысоким алтарем, разделенным на три апсиды, и низкими закрытыми папертями с трех сторон, из которых южная была разобрана. Особенностью храма является более высокая и широкая западная паперть с оригинальным крыльцом, которое, к сожалению, не сохранилось. Также не уцелело и прежнее пятиглавие церкви. В 1772-1781 годах после пожара оно было заменено типичным для того времени малым световым восьмериком с миниатюрной главкой на тонкой шее, установленным на новое перекрытие с восьмилотковым сомкнутым сводом и тромпами в углах.

Храм преподобных Антония и Феодосия Печерских в Великом Устюге является памятником архитектуры, построенным в 1703 году. Он служил летним храмом прихода храма Георгия Победоносца, который находится через дорогу. В советское время здание использовалось как промышленные склады. В настоящее время по инициативе прихода Георгиевского храма в церкви ведутся восстановительные работы и регулярно проводятся молебны.

28 октября 2016 года на купол храма Антония и Феодосия Печерских был установлен крест. Чин освящения креста провел секретарь епархиального управления Великоустюжской епархии протоиерей Вадим Тяженков. Ему сослужили настоятель храма великомученика Георгия Победоносца иерей Феодор Фомин, настоятель храма Владимирской иконы Божией Матери деревни Бобровниково иерей Димитрий Рыжков и настоятель храма преподобного Симеона Столпника иерей Илия Фомин.