Церковь преподобного Кирилла Белозерского была впервые возведена в 1585-1587 годах над захоронением основателя монастыря. Возведение церкви связано с возмущением, высказанном Иваном IV в известном послании в 1573 году в Кирилло-Белозерский монастырь игумену Козьме с братией, «А вы се над Воротынским церковь есть поставили! Ино над Воротынским церковь, а над чудотворцем нет, Воротынский в церкви, а чудотворец за церковью». Однако и после получения послания кирилловские старцы не спешили со строительством каменного храма и заложили его спустя двенадцать лет, уже после смерти Грозного. Церковь, построенная над ракой преподобного Кирилла в XVI веке, единственное каменное сооружение, которое не сохранилось до нашего времени. Храм простоял около 200 лет и был разобран «за ветхостью».
Церковь Кирилла была заново сооружена в 1781-1784 годах. Новое здание Кирилловской церкви выполнено в формах, характерных для позднего барокко. Снаружи здание воспринимается как высокая, завершенная восьмериком церковь с более низкой и широкой трапезной, однако, в действительности это не так. То, что снаружи представляется церковью, не имеет внутри единого объема и разделено на три этажа, в нижнем из которых размещался алтарь, а в двух верхних – монастырская ризница. Церковь находилась в западном, более широком объеме и представляла собой сравнительно высокий двусветный сводчатый зал без светового барабана. В северной стене в глубокой арочной нише помещалась рака преподобного Кирилла.
В 1828 году церковь переделали в теплую, тогда же был сделан подвесной потолок, расширены нижние окна, разобраны наличники. Следствием переделок храма явилась утрата его внутреннего убранства, включавшего богатый иконостас, драгоценные предметы и шитые изделия.
В настоящее время церковь отреставрирована. В 1997 году храм преподобного Кирилла Белозерского был передан православной религиозной организации «Кирилло-Белозерский мужской епархиальный монастырь» для богослужений. В 2010 году музей передал в безвозмездное пользование монастырю 29 копий икон иконостаса Успенского собора, которые размещены в иконостасе церкви преподобного Кирилла.
