После пожара 1020 года, уничтожившего церковь Святого Василия, были открыты погребённые рядом с ней тела братьев. Приписываемые им чудеса послужили предпосылкой постройки маленькой клети (часовни), а потом Ярослав повелел выстроить церковь «велику… имеющю верхов 5». Митрополит Макарий (Булгаков) относит постройку первой древесной Борисоглебской церкви к 1021 году и связывает с перенесением в неё тел Бориса и Глеба начало церковного почитания братьев.
На месте обветшавшего древесного храма князь Изяслав Ярославич выстроил одноглавую каменную церковь, которую освятили 20 мая 1072 года при участии киевского митрополита Жору, ряда других архиереев и киевского монашества и торжественно занесли в неё мощи братьев. Большой каменный храм в честь Бориса и Глеба начал строить князь Святослав Ярославич (к его погибели в 1076 году была завершена кладка стенок) и продолжил Всеволод Ярославич. К 1080—1090 годам храм был построен, но его верх обвалился и был восстановлен князем Олегом Святославичем. Церковь освятили 1 мая 1115 года в присутствии величавого князя Владимира Мономаха. С сих пор она не один раз упоминается в летописях до периода монголо-татарского нашествия когда сведения о ней исчезают.
Реконструкция вида домонгольского храма
Кусок стенки храма XI—XII веков
Кусок стенки церкви со следами разрушений от попадания снарядов во время боев за освобождение Киева в ВОВСчитается, что церковь была разрушена во время нашествия Батыя на Киев в 1240 году. При всем этом были утрачены мощи святых братьев и пробы их обрести вновь, предпринимавшиеся в 1743, 1814 и 1816 годах, не дали результата. Территория разрушенной церкви принадлежала Преображенскому Межигорскому монастырю, который вкупе со всеми своими владениями в 1571 году Сигизмунд II Август передал собственному коронному писарю Е. Высоцкому. Сначала XVII века материал руин церкви использовали для постройки доминиканского костёла в Киеве.
Восстановленная после войны церковь XIX векаВ 1614 году на месте старого храма выстроили древесную церковь, которая была сожжена поляками в 1651 году. Скоро церковь вернули, в 1744 году перестроили, а в 1861—1863 годы на месте церкви по проекту Константина Тона выстроили маленький каменный храм, просуществовавший до середины Величавой Российскей войны. При форсировании Днепра во время Лютежской операции храм был применен германскими войсками как наблюдательный пункт, вследствие чего он был разрушен наступающими русскими войсками. После массированной бомбежки от начального сооружения сохранились только остатки стенок. В разрушенном состоянии и полном запустении храм просуществовал до конца 1980-х годов. В 1991 году храм был восстановлен по уцелевшим наброскам.
Раскопки старого храма осуществлялись с 1816 года. В процессе археологических работ в 1951 году были на сто процентов раскрыты фундаменты храма и установлен его строительный вид. Борисоглебская церковь была одной из больших в домонгольской Руси, была крестово-купольной с нартексом, длина храма составляла 42 метра, ширина — 24 метра. Стенки были построены из кирпича, фасады декорировали арочные ниши, кровля была покрыта свинцом. Снутри храма была фресковая живопись, пол был покрыт поливными плитками.
