Монастырь впервые упоминается в летописи под 1167 годом, но основан был несколько раньше. Его второе летописное название — «Всеволож» — свидетельствует о том, что фундатором обители был князь Всеволод-Кирилл Ольгович, а следовательно время основания монастыря находится где-то между 1140 и 1146 годам. Монастырь, занимая стратегически выгодную возвышенность, контролировал путь в Вышгород, переправы через Днепр и дальше в Чернигов — «вотчину» Всеволода Ольговича. Строительство каменного храма св.Кирилла было закончено уже после смерти князя его вдовой Марией Мстиславной. После продолжительного перерыва, вызванного монгольским нашествием, упоминания о монастыре вновь появляются лишь с 1530 года. На протяжении XVI века он существовал только номинально, находясь в собственности частных лиц.
В 1605—1612 годах монастырь вместе с главной церковью отстроил по приказу воеводы Василия-Константина Острожского игумен Василий Красовский. Главный престол храма был освящен в честь св.Троицы, поэтому монастырь с этого времени стал называться Троицко-Кирилловским или просто Троицким. В 1662 году обитель была сожжена татарами, которых привел под Киев Юрий Хмельницкий. На протяжении XVII века игуменами монастыря были выдающиеся церковные деятели: Иннокентий Гизель, Лазарь Баранович, Мелетий Дзик. В 1665—1675 годах послушником и монахом монастыря был св.Димитрий Ростовский, в 1697 году короткое время был кирилловским игуменом. Его отец Савва Туптало был ктитором обители. Не без его помощи монастырь был отстроен в 1687—1697 годах игуменом Иннокентием Монастырским.
Следующие основательные работы в монастыре провел после пожара 1734 года архитектор Иван Григорович-Барский. В 1760—1773 годах он отреставрировал Кирилловскую церковь, возвел рядом с ней колокольню и два корпуса келий, а монастырь окружил стеной с четырьмя башнями. В 1747 году Кирилловский монастырь получил статус архимандритии, но пользовался им недолго. Еще во время эпидемии чумы 1770 года монастырские здания были временно конфискованы для устройства карантина. А вследствие секуляризации 1786 года монастырь вообще прекратил существование. На его территории начала действовать Кирилловская больница.
В советское время Кирилловский храм стал частью музея София Киевская.
В начале 90-х годов восстановлен как приходской храм, настоятелем которого был протоиерей Феодор Шеремета.
14 июня 2011 года Кирилловская церковь, решением Священного Синода Украинской Православной Церкви, стала частью восстанавливаемого Кирилловского монастыря. Настоятелем монастыря назначен епископ Васильковский Пантелеимон, снят решением Священного Синода УПЦ от 20 декабря 2012 года, а 5 января 2013 года Священным Синодом УПЦ наместником монастыря назначен архимандрит Варлаам Озимок.
