В 1044 г. по приказу великого князя Ярослава Владимировича над останками его дядей-язычников (Киевского князя Ярополка Святославича и Древлянского князя Олега Святославича) был совершён обряд крещения, после чего они были погребены в Десятинной церкви. 3 октября 1078 г. в храме в мраморном саркофаге был похоронен погибший в бою на Нежатиной Ниве Киевский князь Изяслав (Димитрий) Ярославич. Одним из последних захоронений в Десятинной церкви стало погребение 16 ноября 1093 г. князя Ростислава Мстиславича (ум. 1 октября 1093 г.), внука великого князя Изяслава Ярославича. В XI – середине XIII в. Десятинная церковь была одним из центров паломничества в Южной Руси. Так, в 1150 г. Галицкий князь Владимирко Володаревич, объезжая киевские святыни, сначала направился в Вышгород, где поклонился мощам св. князей Бориса и Глеба, вернулся в Киев и «приехал к святои Софьи», а затем «еха к святеи Богородици Десятиньнеи, и оттуда еха к святои Богородици Печерьскои манастырь». После обрушения в 1240 г. храм не был восстановлен. В конце ХVI – начале ХVII в. Десятинная церковь, которая называлась по храмовой иконе церковью Николы Десятинного, принадлежала униатам, вокруг неё располагалось большое городское кладбище, где производились захоронения в ХVI–ХVIII вв. В 1635 г. благодаря усилиям митрополита Петра (Могилы) храм стал православным, в нём был сделан ремонт, разобраны руины. В начале ХIХ в., как показали археологические исследования и анализ изображений Десятинной церкви, в храме времени митрополита Петра были использованы стены древнего собора. Тогда же, как полагают исследователи, была произведена расчистка алтарной части и поиск закладных святынь на месте престолов. Об этом свидетельствуют перекопы в центральных частях апсид, выявленные во время раскопок 1908 г. После занятия в 1654 г. Киева московскими войсками в ходе Русско-польской войны обновлённая Десятинная церковь была освящена. По сведениям «Росписного списка города Киева 1700 г.», с западной стороны к каменной церкви была «приделана трапеза деревянная да вверху придел святых верховных апостол Петра и Павла». В ХVIII в. Десятинная церковь несколько раз ремонтировалась, в частности, в 1758 г. на средства монахини киевского Фроловского монастыря княгини Долгоруковой. В 1828–1842 гг. по проекту архитектора Василия Петровича Стасова в «русско-византийском стиле» была построена новая церковь, которая по размерам уступала постройке времени князя Владимира. При её возведении старый храм разобрали, строительный материал (кирпич Х–ХII вв., камни) использовали в новом фундаменте. Эта церковь была разрушена в середине 1930 гг., от неё сохранились части фундаментов и отдельные детали интерьера, найденные во время раскопок в 2005–2006 гг. Фрагменты штукатурки нескольких типов с остатками настенной живописи из древней Десятинной церкви (по материалам коллекции М.К. Каргера 1948 г.) хранятся в Государственном Эрмитаже. Археологическое изучение Десятинной церкви осуществлялось в 1820 гг. (Кондрат Андреевич Лохвицкий и Николай Ефимович Ефимов), в начале ХХ в. (Дмитрий Васильевич Милеев), накануне Великой Отечественной войны (Т.Н. Мовчановский, М.К. Каргер) и в 2005–2006 гг. (Глеб Юрьевич Ивакин, В.К. Козюба).