Трапезный храм преподобных Антония и Феодосия Печерских заменил собой старую монастырскую трапезную. Это самое заметное из сооружений Киево-Печерской лавры, возведенных в XIX веке. В конце XIX векв трапезная, сооруженная в 1684-1694 годах, перестала удовлетворять монастырь, потому что была слишком мала и к тому же пришла в аварийное состояние. Несмотря на протесты почитателей старины, старое здание было снесено. От него остались лишь фрагменты северной и западной стен с порталом и кухня. В 1893-1895 годах на месте разрушенной Владимир Николаев возвел в русско-византийском стиле новую большую трапезную с пристроенной к ее восточному торцу церковью в честь свв. Антония и Феодосия Печерских.
Двухэтажная на подвале прямоугольная в плане трапезная имеет на первом этаже большой зал, разделенный колоннами на три компартимента; планировка второго этажа коридорная двурядная. Квадратная в плане церковь с полуциркульной апсидой и прилегающими к ней объемами ризницы и диаконника перекрыта 20-метровым полусферическим куполом. Над западным входом находится миниатюрная колокольня. Сооружение органически вошло в ансамбль Верхней лавры и обогатило его.
Внутреннее оформление церкви и палаты выполнили под руководством академика архитектуры Алексея Щусева. По его проекту был установлен иконостас и размечены стены под живопись. Сюжетные и орнаментальные настенные росписи в технике масляной живописи в интерьере выполнили художники Иван Ижакевич, Г. Попов, П. Верещагин, В. Данилов и А. Лаков. Росписи трапезной были закончены в 1903 году, церкви — в 1910 году.
В 1911 году рядом с трапезной был похоронен убитый в Киеве Петр Столыпин.
В 1923 году сооружение было передано Губполитпросвещению для лекционного зала. В 1941 году трапезная пострадала во время взрыва Успенского собора. Ремонтно-реставрационные работы на фасадах были в целом закончены в 1956 году, восстановление интерьера велось в течение 1976-1980 годов. В 1960-1980-е годы в трапезной находился музей атеизма.
С 1990 года в храме регулярно совершается Богослужение. С 1992 года храм является кафедральным собором Украинской Православной Церкви в городе Киеве.
25 июня 2012 года, наместник Свято-Успенской Киево-Печерской Лаврымитрополит Вышгородский и Чернобыльский Павел в сослужении братии монастыря совершил чин освящения накупольных крестов Трапезной палаты храма преподобных Антония и Феодосия Печерских. Крест изготовлен заслуженным архитектором Украины Виталием Отченашко по оригинальным чертежам архитектора Владимира Николаева, датированным концом XIX века. После окропления святой водой крест был поднят и поставлен над входом в Трапезную палату.
9 апреля 2014 года Местоблюститель Киевской митрополичьей кафедры митрополит Черновицкий и Буковинский Онуфрий совершил освящение престола и обновления алтаря Трапезного храма во имя преподобных Антония и Феодосия Киево-Печерской Лавры.
