В 1709 году в подземельях была сделана церковь. Максимальные размеры храма 9 на 6 метров, свод поддерживается четырьмя колоннами более метра в поперечнике каждая. Разрешение на освящение подземной церкви было получено с большими трудностями. Местоблюститель патриаршего престола митрополит Стефан Яворский разрешил открытие церкви только 30 мая 1711 года после ходатайства царевен Марии и Феодосии, сестер Петра I. Они же подарили в новую церковь иконостас с иконами, служебные книги, оловянные сосуды для богослужения, облачения, деньги и величайшую драгоценную святыню, четырнадцать частиц мощей Киево-Печерских чудотворцев, которые хранились в ней под престолом.
Служба в подземной церкви продолжалась до 1730-х годов. Система вентиляции была несовершенной, от сырости портились дерево и богослужебные книги. И после ухода от должности и смерти первоначальника монастыря Иоанна церковь на долгие годы стала бездействующей.
В августе 1778 года для освящения ново построенного Успенского собора в Саровскую пустынь приехал Владимирский епископ Иероним. Осматривая монастырь, он побывал в подземной церкви и высказал пожелание возобновить в ней богослужение. Для этого необходим был ремонт. Присутствовавший в это время в Сарове пензенский помещик Николай Афанасьевич Радищев, отец писателя А.Н. Радищева, изъявил готовность помочь. Им была куплена в церковь напрестольная мраморная доска, изготовленная в Санкт-Петербурге. Кроме того, был сделан чугунный иконостас, наверх была выведена вентиляционная шахта, над выходом которой на поверхность был сооружен небольшой купол с главой и крестом. После ремонта епископ Иероним освятил церковь 15 августа 1780 года.
Из-за сырости иконостас и церковную утварь в церкви Антония и Феодосия приходилось подновлять и менять. При игумене Иосифе чугунный иконостас был заменен медным посеребренным с медными позолоченными иконами. Длиной иконостас был 5,6 метра, высотой 2,1 метра. Служба в церкви проводилась в то время лишь раз в году, в день памяти Киево-Печерских чудотворцев. Пещеры служили скорее экскурсионным целям.
18 июля 1903 года во время торжеств по канонизации Серафима Саровского пещеры посетил Российский Государь Николай II.
В советское время входы в пещеры были засыпаны строительным мусором. И только в 1992 году в результате раскопок, проводимых объединением «Саровская пустынь», был найден вход в пещеры и обнаружена надпись, выбитая на одном из её столбов, которая гласила «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 был передан городскому музею. В 2000-2002 годах сделан плановый ремонт. За несколько лет работы вручную расчищено от наносного грунта более 300 погонных метров подземных галерей, обустроен вход в пещеры и запасный выход, укреплены опасные участки галерей, восстановлены вентиляционные шахты, по основным входам комплекса проведено электрическое освещение. В 2003 году изготовлен и установлен металлический иконостас в храме Антония и Феодосия. В 2006 году пещерный комплекс передан Русской Православной Церкви.
6 сентября 2011 года Архиепископ Нижегородский и Арзамасский Георгий совершил чин великого освящения пещерного храма в честь преподобных Антония и Феодосия Киево-Печерских. В настоящее время протяженность восстановленных подземных ходов составляет около 400 метров.
