Церковь преподобного Кирилла Белозерского была впервые построена в 1585-1587 годах над могилой основателя монастыря. Ее возведение связано с недовольством, выраженным Иваном IV в письме 1573 года к игумену Козьме и братии Кирилло-Белозерского монастыря: «А вы се над Воротынским церковь есть поставили! Ино над Воротынским церковь, а над чудотворцем нет, Воротынский в церкви, а чудотворец за церковью». Однако даже после получения этого послания монастырские старцы не торопились с постройкой каменного храма и заложили его лишь через двенадцать лет, уже после смерти Ивана Грозного. Церковь, построенная над ракой преподобного Кирилла в XVI веке, была единственным каменным сооружением, не сохранившимся до наших дней. Она простояла около 200 лет и была разобрана из-за ветхости.

Церковь Кирилла была возведена заново в 1781-1784 годах. Новое здание выполнено в стиле позднего барокко. Снаружи оно кажется высокой церковью с восьмериком и более низкой широкой трапезной, но внутри это не так. Внешне церковь разделена на три этажа: в нижнем находился алтарь, а в двух верхних, монастырская ризница. Церковь располагалась в западной части и представляла собой высокий двусветный зал без светового барабана. В северной стене в глубокой арочной нише находилась рака преподобного Кирилла.

В 1828 году церковь была переделана в теплую, тогда же сделали подвесной потолок, расширили нижние окна и убрали наличники. Эти изменения привели к утрате внутреннего убранства, включая богатый иконостас и драгоценные предметы.

Сегодня церковь отреставрирована. В 1997 году храм преподобного Кирилла Белозерского был передан православной религиозной организации «Кирилло-Белозерский мужской епархиальный монастырь» для проведения богослужений. В 2010 году музей передал монастырю 29 копий икон из иконостаса Успенского собора, которые теперь размещены в иконостасе церкви преподобного Кирилла.