Успенский собор стал первым каменным сооружением Киево-Печерского монастыря. Заложенный в 1073 году, он был возведен в течение трех строительных сезонов в 1075- 1077 годах, строительство завершилось С июля 1077 года, а 14 августа 1089 собор освятили. Собор представлял собой трьохнавний шестистолпный одноглавый крестовокупольный храм, ярко украшенный внутри. План собора имел форму вытянутого с востока на запад прямоугольника размером 32,4 х 21,6 метра, с тремя полукруглыми выступами (апсидами) с восточной стороны. Внутреннее пространство делился тремя парами столбов на три продольные и четыре поперечные части, соответствовало членению внешних стен сооружения пилястрами. Столбы соединялись между собой и со стенами с помощью подпружных арок, на которые опирались своды и барабан купола. Высота собора в центральной части достигала 43 метров.

По мнению исследователя К. В. Шероцкого, «боковые апсиды сначала были несколько ниже, а теперь надстроен до высоты средней апсиды; под крышей сев. апсиды сохранился след древней конхи, над которой заметна также зубчатая арка, над окнами купола; апсиды украшены теперь богатыми карнизами, лепным орнаментальными фризами и сплошь залеплены узорами … главная апсида в древности имела рельефные изображения Богородицы и стоят по ее сторонам Архангелов … в верху древние – средняя глава и купол над Предтеченский боковым алтарем ». «В северо-западном придела всю старинную церковь Предтечи теперь занимает один алтарь; в нем 4 столба … и три апсидкы … с хор Великой церкви сюда ведет древняя двери; в восточной стене в верхних частях апсид пробиты входа в придел Преображения; снизу вела сюда лестницы, сейчас находится под полом; на западной и южной стенах видны забиты окна; в парусах – голосники, то есть кувшины для лучшего резонанса и для облегчения веса купола ».

В 1082-1089 годах интерьер храма расписали фресками и прикрасиы мозаикой, пол, поручни были из красного шифера. Кроме греческих мастеров, живописные работы в соборе выполнял и молодой тогда киевский иконописец Алимп. Правда, при исследовании интерьера Успенского собора в конце XIX в. никаких следов фресок или мозаик не нашли, вполне вероятно, что после пожара 1718 года весь штукатурка был заменен новым. Иконостас имел вид мраморной резной перегородки. Успенский собор стал образцом, по которому на протяжении многих лет воздвигались храмы на Руси. Так, в Киеве именно по этому образцу был построен собор Михайловского Златоверхого монастыря.