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 года собор освятили. Собор представлял собой трехнефный шестистолпный однокупольный 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 разделялось тремя парами столбов на три продольные и четыре поперечные части, что 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 надстроены 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, лепными орнаментальными фризами и сплошь залеплены узорами… главная апсида в древности имела рельефные изображения Богородицы и стоящих по ее сторонам Архангелов… в верху древние – средняя глава и купол над Предтеченским приделом». «У северо-западного придела всю старинную церковь Предтечи теперь занимает один алтарь; в нем 4 столба… и три апсидки… из хора Большой церкви сюда ведет древняя дверь; в восточной стене в верхних частях апсид пробиты входы в придел Преображения; снизу вела сюда лестница, ныне находящаяся под полом; на западной и южной стенах видны забитые окна; в парусах – голосники, то есть кувшины для лучшего резонанса и для облегчения веса купола».
В 1082-1089 годах интерьер храма расписали фресками и украсили мозаикой, пол, перила были из красного шифера. Кроме греческих мастеров, живописные работы в соборе выполнял и молодой тогда киевский иконописец Алимпий. Правда, при исследовании интерьера Успенского собора в конце XIX в. никаких следов фресок или мозаик не нашли, вполне вероятно, что после пожаров 1718 года вся штукатурка была заменена новой. Иконостас имел вид мраморной резной перегородки. Успенский собор стал образцом, по которому на протяжении многих лет сооружались храмы на Руси. Так, в Киеве именно по этому образцу был возведен собор Михайловского Златоверхого монастыря.
