Також до складу Китаївського комплексу входить і монастир.
Цей типовий для київських монастирів і водночас своєрідний ансамбль сформувався за умов домінування на окремих етапах його розвитку з різних архітектурних стилів: бароко, класицизм, ампір, історизм, еклектика. Названі стилі виразно позначилися на будівельних і художніх особливостях окремих споруд. Одні з них одразу зводились в добу панування того чи іншого стилю, інші неодноразово перебудовувались за вимогами часу і відповідно до смаків замовників.
У період Київської Русі за 500 метрів від печер на південь існував язичницький цвинтар. Пізніше, за словами М.О. Максимовича, у XIV ст. у Китаєве було створено печерний монастир. У XVII ст., вірогідно, монахи Києво-Печерської лаври влаштували тут пустинний скит. Вони вважали, що ця територія належить до Києво-Печерської лаври, посилаючись на грамоту, дану Андрієм Боголюбським Лаврі у 1159 р. Але вже в ХІХ ст. вчені-історики, спираючись, головним чином, на лінгвістичні ознаки, писали, що цю грамоту було підроблено монахами Києво-Печерської лаври.
З XVII ст. Китаєво, ліс до с. Пирогів і пасіка належали Лаврі.
У 1716 р. Київський генерал-губернатором Д.М. Голіциним (роки життя 1665-1737, а перебування на посту київського намісника – 1707-1723 рр.) з дозволу печерського архімандрита Іоанікія Сенютовича було збудовано майстром Слумою дерев’яну церкву в ім’я Преподобного Сергія Радонєжського – чудотворця разом з дерев’яними келіями для братії. На жаль, жодного зображення церкви, або її описів не збереглося. Цей храм підпорядковувався Лаврі. У 1759 р. Тут зроблено іконостас майстрами лаврської малярської школи під керівництвом Романа.
Але скоро церква Преподобного Сергія Радонєжського стала непридатною й було вирішено збудувати нову церкву – кам’яну. 21 серпня 1763 р. Закладено Троїцьку церкву. Збудовано її печерським архітектором С.Д. Ковніром (1695-1786 рр.) у стилі українського бароко й освячене архімандритом Києво-Печерської лаври Зосимом Валкевичем 28 травня 1767 р., а за «Сборником материалов для исторической топографии Киева и его окрестностей» від 1874 р. – 24 травня 1767 р.
Оскільки кам’яне церковне будівництво на Україні у XVIII ст. активно повторювало форми дерев’яних церков, то можна зробити припущення, що зведена на місці церкви Сергія Радонежського церква в ім’я Святої Живоначальної Трійці, у первісному своєму плані, а, можливо, і в зовнішньому вигляді скоріше за все могла відтворювати попередню – дерев’яну, вочевидь тридольну, з бічними вівтарними прибудовами. На користь цього припущення також вказують віднайдені в архівах ранні плани церкви, її описи. У плані церква повторює традиційний чотирьох стовповий, трьохнефний храм, увінчаний п’ятьма оригінальної форми двоярусними банями, що поставлено по повздовжній і поперечній осі так, як в українських дерев’яних церквах.
Збудована церква в трьох престолах: перший – життєпочаткової трійці, другий – справа – Сергія Радонєжського, треій – зліва – Дмитра Ростовського. Південні та північні портали церкви прикрашено восьмигранними колонами зі стилізованими іонічними капітелями, ліпним орнаментом і сюжетними зображеннями. Церкву було прикрашено на пожертвування ієросхимонаха Тимофія – наглядача печери Преподобного. Орієнтовно в цей час біля входу до печери було збудовано дерев’яну каплицю та церкву Трьох Святителів (не збереглися) Лукою – колишнім архімандритом Києво-Печерської лаври й освячено преподобним Іларіоном Григоровичем – чином святішого Синоду. Цю церкву поставлено на місці раніше збудованої дерев’яної церкви князем Д.М. Голіциним, що згоріла.
На початку 80-х років ХІХ століття настоятель Китаївської пустині ігумен Герасим звертається до Духовного Собору з проханням розширити церкву Святої Трійці, обґрунтовуючи це великою кількістю братії, яка налічувала близько 150 ченців (не враховуючи при цьому прочан). Цю побудов в 1892 році виконав єпархіальний архітектор В. Ніколаєв усього за півроку, внаслідок чого надати всебічну оцінку архітектурним особливостям храму в версії С. Ковніра сьогодні доволі складно. Так, наприклад, втрачений парадний західний портал, розтесані первісні отвори вікон, здійснена прибудова на бічних фасадах контрфорсів, а головне – проведена добудова нартексу завдовжки 6 сажнів у зв’язку з потребою фізичного збільшення внутрішнього простору докорінно змінили художній образ пам’ятки. Уявлення тогочасних господарів монастирських осередків про «благоліпне» і вимоги бережливого ставлення до історично-художньої вартості пам’ятки не завжди збігалися, і вирішальними були, та й досі залишаються, цю хвилинні інтереси.
Пустинь продовжувала розбудовуватись у ХІХ – на початку ХХ ст.
Протягом 1829-1837 років архітектором І. Богдановим була зведена дзвіниця за проектом архітектора А. Меленського. Побудова здійснювалася відносно швидко, бо вже в 1835 році необхідно було «шпиль колокольни оправить белым железом, ярусы и верх колокольни покрыть чёрным железом под покраску» (ЦДІА України. – Ф.128. – Оп. 1. – Заг., спр. 1753). В 1838 році годинникових справ майстер Івін Данцир ремонтує годинник, який нібито вже здавна був у Китаївській пустині, та розміщує його на третьому ярусі новозбудованої дзвіниці. Паралельно з проведенням ремонту годинника, для нього було виготовлено два мідних дзвони, один з яких сповіщав півгодини, а інший – годину.
Збудована в сталі ампір, який А. Меленський широко застосовував у Київських спорудах, дзвіниця після Троїцької церкви стала головною домінантою Китаївського комплексу так само, як дзвіниця І.-Г. Шеделя (1731) для Києво-Печерської лаври. Але на відміну від останньої через неї вів парадний вхід до пустині, орієнтований на західний портал Троїцької церкви.
Китаєво неодноразово привертало до себе увагу художників, зокрема Т. Шевченка, Д. Де ля Фліза, В. Орловського, В. Кричевського. На панорамному полотні В. Орловського «Дніпро» (1882) (див. додат. № 8), що зберігається в Таганрозькій картинній галереї, дуже добре видно, як церква з дзвіницею органічно вписувалися у ще не спотворений сучасною промисловою та житловою забудовою епічний краєвид з безмежною широчінню Дніпра і високим, зарослим густим лісом правим берегом над ним.
Парадоксально, але саме знищення дзвіниці більшовиками у 30-х роках ХХ століття дає можливість сьогодні повною мірою відчути містобудівне чуття і смак А. Меленського та І. Богданова, їхнє вміння вписати власну споруду в непростий архітектурно-ландшафний простір. Недарма дзвіниця внесена урядом України до «Програми відтворення видатних пам’яток історії та культури України», затвердженої постановою Кабінету Міністрів України від 23 квітня 1999 р. (№ 700).
У 1835 р. Було збудовано Лукою теплу церкву – собор Дванадцяти Апостолів (див. додат. № 9), у 1845 р. – кам’яну будівлю келій. Через дорогу до Троїцької церкви знаходилися господарський двір, а за ним одноповерхова будівля, збудована у 1871 р., де розташовувалась лаврська братська богадільня для старих іноків. У 1894 р. Збудовано ще один корпус для братії. Тут же знаходився одноповерховий дерев’яний корпус, де жив начальник Пустині. У монастирі відбувалося богослужіння в такому ж порядку, як і в Печерській лаврі. У 1898 р. На територію господарського двору з Лаври було перенесено свічковий завод, для якого за проектом В. Ніколаєва 1899 року зводиться комора для воску. У 1900 р. Будівлю для старих іноків було розширено, а в 1904 р. зі східного боку до неї добудовано церкву в ім’я Преподобного Серафима Саровського (див. додат. № 10). 1909 року економ пустині Феодосій будує дерев’яну капличку біля входу в печери на території Китай-гори (див. додат. № 11). У наш час до дерев’яної каплички, зведеної на тому ж місці вже за часів незалежності України (зовнішнім виглядом вона нагадує попередню), добудовано цегляний будиночок для наглядача, який опалюється грубою.
Чудовий краєвид і чисте повітря поблизу Пустині сприяло будуванню дачних будинків для літнього відпочинку. В день святої Трійці поблизу Пустині збирався селянський ярмарок. У кінці ХІХ – на початку ХХ ст. до Китаєве Дніпром проводилися екскурсії.
У 1919 р. АНУ передала Китаєве для створення там ботанічного й акліматизаційного садів та інших наукових установ, а в 1923 р. Китаєве було включено в межі міста.
З установленням радянської влади в Україні становище церкви різко погіршилося – почалися гоніння на віруючих, закриття та руйнування монастирів і церков. Так, у газеті «Правда» за 1929 р. О. Ярославський писав, що «...існуванню монастирів слід покласти край. Монастирям немає місця у радянській державі». І вже 7 жовтня 1929 р. Київська міська рада прийняла рішення закрити храми та виселити усіх ченців з території усіх монастирів Києва. Того ж року Китаївську пустинь було закрито, а її мешканців виселено. З цього часу починається руйнування монастиря: церковні приміщення перетворюються на склади та клуби, засипаються печери, вирубається ліс.
Київський окрвиконком у грудні 1929 р. Звернувся до відділу культів НКВС УРСР і ВУЦВК з проханням санкціонувати передачу Китаївської пустині у використання інвалідами. У зв’язку з цим, у кінці 1929 р. НКО УРСР звернувся з листом до секретаріату ВУЦВК з нагадуванням про виключну художню та історичну цінність монастирських пам’яток і просив звернути особливу увагу на будівлю Лаврського та Китаївського скитів. Але цей лист не було взято до уваги ні ВУЦВК, ні відділом НКВС УРСР.
У 1930-х рр. у Китаївській пустині було влаштовано колонію для дефективних дітей. Трагічна доля спіткала монастирське кладовище, зрівняне з землею у 1933-1934 рр., та дзвіницю – у 1937 р. У 1930-х рр. У будівлях з келіями, що знаходяться через дорогу від Пустині, розташовувався будинок відпочинку.
Після Великої вітчизняної війни монастир перебував у занедбаному стані. Тільки в кінці 70-х рр., коли Українське товариство охорони пам’яток історії та культури почало перевірку знятих з реєстрації церковних приміщень, було визначено, що Троїцька церква знаходиться в аварійному стані. У ній почались дослідницькі, а потім ремонтно-реставраційні роботи. Проект передбачав влаштування у приміщенні церкви актового залу обласної школи бджільництва.