В творчестве великого русского архитектора Растрелли Андреевская церковь занимает скромное место, хотя превосходит многие его работы в изысканности и гармоничности композиции. Благодаря гармонии с ландшафтом днепровского побережья она считается шедевром русского зодчества. Создатели храма использовали смелые художественные приемы, дополненные последними достижениями науки и техники. Безукоризненные формы постройки в течение многих лет представлялись образцом местной архитектуры, став отправной точкой в развитии строительного дела на Украине. В этом прекрасном здании отразились черты старинного зодчества, в частности легкость, живописность и романтизм, которые ранее не приветствовались столичными мастерами.

Заказ на постройку Андреевской церкви исходил от Елизаветы Петровны, поэтому не удивительно, что создание эскизов и чертежей поручили Растрелли — любимому зодчему императрицы, создателю оригинального стиля под названием «русское (елизаветинское) барокко».

Перед тем интересный вариант предложил Шедель, но его проект разочаровал скромностью и был отвергнут. Судя по сохранившимся чертежам, он намеревался строить обычный крестчатый однокупольный храм, что не согласовалось с утонченным вкусом государыни.

Помпезный замысел Растрелли воплотил его ученик и помощник И. Ф. Мичурин, прибывший в Киев осенью 1747 года. Каменная Андреевская церковь заняла место деревянной, развалившейся «от великих ветров». Высокому стройному зданию предстояло выдержать бури и оползни, довольно часто возникавшие из-за обилия подземных вод. Благодаря таланту проектировщика и строителей сооружение получилось не только красивым, но и прочным. Взметнувшись на огромную высоту, храм прочно стоял на 15-метровом фундаменте особого устройства. Именуемое стилобатом основание примыкало к холму с востока, имея вид двухуровневого сооружения с запада. В греческой архитектуре термином «stylobates» обозначали каменные плиты под колоннами или трехступенчатое подножие храма. Сложные подземные конструкции также были использованы для нижней церкви и других помещений комплекса. Несмотря на быстрое завершение кладки, строительство затянулось до 1752 года, а на доработку и оформление потребовалось еще 15 лет.

Андреевская церковь возвышается над основанием, словно каменный цветок, радуя глаз изящными завитками барокко и пятиглавым навершием в украинском духе. Достигая 60 м в высоту, этот вполне традиционный однокупольный храм украшен коринфскими колоннами, пилястрами, карнизами сложного профиля. Увенчанные башенками контрфорсы по углам здания выглядят чисто декоративными элементами, хотя в действительности устроены для большей прочности купола. Живописность зданию придает барочный декор окон и дверей, а также трехцветная окраска фасадов. Светло-зеленая поверхность стен оттеняет белизну колонн, а та, в свою очередь, усиливает эффект позолоты лепного орнамента и чугунных капителей. Еще одним новшеством стало отсутствие нефов: внутри храм представляет собой единое подкупольное пространство с фанцузским окном-люкарной.

Лепнина является наиболее выразительным декором Андреевской церкви. Стилизованные раковины прихотливой и разнообразной формы, цветочные гирлянды сделаны из алебастра и покрыты золотом. Все украшения выполнялись по формам украински резчиков и московски мастеров на основе рисунков Растрелли. Мастера, создававшие интерьер храма, не обошли вниманием народные традиции, но отдали предпочтение западным формам, преимущественно барокко. Работая в рамках одной декоратиной системы, они постарались создать различные художественные образы.

Основная роль в оформлении любого храма принадлежит иконам. Выполненная в парадной светской манере живопись Андреевской церкви проникнута романтикой, подобно архитектуре и общему убранству. Великолепным украшением храма являются картины, несколько увеличенные в высоту, заключенные в барочные рамки, вписанные в обрамления каннелированных пилястр. В основе всех композиций заложены мифологические и библейские сюжеты. Большая их часть написана в Санкт-Петербурге, где в 1752-1753 годах над фагментами иконостаса работала группа художников под руководством И. Я. Вишякова.

Заказ на отдельные картины выполнял известный живописец А. П. Антропов. В 1754 году его произведения украсили алтарь, кафедру, купол, свод притвора. Исполненная им роспись Тайная вечеря» поражает естественными, раскованными позами героев, глубоким сине-зеленым колоритом, который служит прекрасным фоном для ярко-красных одежд. Помещенная рядом композиция «Выбор веры князем Владимиром» создана неизвестным художником.