Десятинна церква була хрестовокупольним шестистовпним кам'яним храмом. На початку XI ст. постраждала від великої пожежі. Згодом її відбудували та оточили з трьох боків галереями. Десятинну церкву оздоблювали мозаїки, фрески, різьблені мармурові та шиферні плити. Ікони, хрести та церковний посуд було привезено з Корсуня. Окрім головного престолу, церква мала ще два приділи — святих Володимира та Миколая.
У Десятинній церкві містилася княжа усипальниця, де поховано Володимира Святославича та його дружину — візантійську царівну Анну. Сюди було перенесено з Вишгорода прах княгині Ольги.
В період феодальної роздробленості Русі церква часто страждала від князівських усобиць. Так, у 1169 році Десятинну церкву пограбували війська Андрія Боголюбського, а в 1203 — Рюрика Ростиславича. 6 грудня 1240 року орди хана Батия, захопивши Київ, зруйнували Десятинну церкву — останній оплот киян.