В 1709 году в подземельях была построена церковь. Ее размеры составляют 9 на 6 метров, а свод поддерживается четырьмя колоннами, каждая из которых имеет более метра в поперечнике. Получение разрешения на освящение подземной церкви оказалось сложной задачей. Митрополит Стефан Яворский, исполнявший обязанности патриарха, дал разрешение на открытие церкви только 30 мая 1711 года после ходатайства царевен Марии и Феодосии, сестер Петра I. Они подарили церкви иконостас с иконами, богослужебные книги, оловянные сосуды, облачения, деньги и четырнадцать частиц мощей Киево-Печерских чудотворцев, которые хранились под престолом.

Службы в подземной церкви продолжались до 1730-х годов. Из-за несовершенной вентиляции сырость портила дерево и книги. После ухода и смерти основателя монастыря Иоанна церковь долгое время не использовалась.

В августе 1778 года, во время освящения нового Успенского собора в Саровской пустыни, Владимирский епископ Иероним посетил подземную церковь и предложил возобновить в ней службы. Для этого требовался ремонт. Пензяк Николай Афанасьевич Радищев, отец писателя А.Н. Радищева, предложил свою помощь. Он приобрел мраморную доску для престола, изготовленную в Санкт-Петербурге. Также был сделан чугунный иконостас, проведена вентиляционная шахта, а над ней установлен купол с крестом. После ремонта епископ Иероним освятил церковь 15 августа 1780 года.

Из-за сырости иконостас и церковную утварь в церкви Антония и Феодосия приходилось обновлять. При игумене Иосифе чугунный иконостас заменили на медный посеребренный с позолоченными иконами. Иконостас имел длину 5,6 метра и высоту 2,1 метра. Службы проводились раз в год, в день памяти Киево-Печерских чудотворцев, а пещеры использовались для экскурсий.

18 июля 1903 года, во время канонизации Серафима Саровского, пещеры посетил Николай II.

В советское время входы в пещеры были засыпаны мусором. В 1992 году объединение "Саровская пустынь" обнаружило вход в пещеры и надпись на одном из столбов: "Лета 7199. От Рождества Христова 1691-го индикта 14-го маия начата сия пещера копатися. Лета 1711-го индикта 6го маия освятися в них сия церковь преподобных отец Антония Феодосия Печерских".

В 1995 году пещерный комплекс передали городскому музею. В 2000-2002 годах проведен ремонт: расчищено более 300 метров галерей, обустроены вход и запасной выход, укреплены опасные участки, восстановлены вентиляционные шахты, проведено освещение. В 2003 году установлен металлический иконостас в храме Антония и Феодосия. В 2006 году комплекс передан Русской Православной Церкви.

6 сентября 2011 года Архиепископ Георгий освятил пещерный храм в честь Антония и Феодосия Киево-Печерских. В настоящее время восстановлено около 400 метров подземных ходов.