Пещерная церковь, включающая два придела, представляет собой единый комплекс из трёх храмов: Климентовского, освящённого в 1852 году, Мартина Исповедника, освящённого в 1867 году, и Андрея Первозванного, освящённого в 1900 году. Реставрационные работы проводились под руководством архитектора Д. М. Струкова. Во время Крымской войны церковь сильно пострадала. В 1930-х годах она была передана Севастопольскому музею и вновь открыта в 1990-х.

С 1991 года, после советского периода, благодаря усилиям настоятеля архимандрита Августина (Половецкого, †1996) началось постепенное возрождение монастыря: были восстановлены храмы и келейные корпуса. Из Киева была передана частица честной главы святого священномученика Климента, а рака с его мощами установлена в Свято-Климентовском храме.

26 января 2019 года в пещерном храмовом комплексе, в храме Климента Римского, были возобновлены еженедельные богослужения.