Разрушенная землетрясением Трапезная палата не упоминалась в источниках до 1638 года, когда ее описал и зарисовал Афанасий Кальнофойский. В планах путешественника она упоминалась как Трапезная Петра и Павла. Деревянное одноэтажное здание состояло из четырех частей, каждую из которых завершала отдельная двускатная крыша. В конце столетия монахи обедали в каменном здании, выстроенном на средства знатного киевлянина Михаила Максимовича. После пожара 1718 года она была переделана и украшена в стиле украинского барокко. Относительно росписи тех лет подробных сведений не имеется, но известно, что ее зачем-то уничтожили всего через несколько десятков лет после создания. Приглашенные из Киева живописцы Иосиф Белецкий и Иван Куликовский заново расписали стены «самым лучшим искусством». С того времени со стен Трапезной палаты печально взирают печерские угодники Нестор-летописец, Лука Эконом, Никодим, Спиридон, Прохор Лебедник. Лики преподобных четко вырисовываются на темном фоне, глубокий тон которого усиливает сияние золотых звезд. Расписанные в зеленой гамме двери ведут в сени, где основной темой живописи служат образы реальных и фантастических животных, созданные по примеру того, «как в Троицкой церкви при входе изображено».
К 1893 году полуразрушенные здания трапезной с храмом были снесены. В тяжелых формах вновь возведенного строения выразилась приверженность создателей к искусству Византии. Фасад приземистой, с широким входом и высокими дверями постройки дополнили круглые металлические столбы. Увенчанные греческими капителями, они разделяли просторное помещение на три нефа, одновременно поддерживая свод. Главный зал освещался с помощью огромных полукруглых окон, пропускавших солнечные лучи в коридоры второго этажа, где находились служебные помещения и кельи.
Церковь Антония и Феодосия перекрыл сферический, 20-метровый в диаметре купол с окнами, устроенными почти вплотную друг к другу. Для оформления интерьеров храма и столовой по совету художника Нестерова настоятель пригласил выпускника петербургской Академии художеств Алексея Щусева. Молодой архитектор руководил орнаментальными работами, выполнил разбивку стен под живопись, составил проект мраморно-металлического иконостаса, киотов, панелей. Росписи исполняли местные мастера, среди которых особо отличились Г. И. Попов, И. С. Ижакевич, А. А. Лаков. Работая в лавре с 1894 года, Попов около 16 лет украшал лаврские интерьеры. В частности, им написаны большие картины «Нагорная проповедь» и «Насыщение пятью хлебами» на южной и северной стенах Трапезной церкви. В столовой он работал над композициями «Чудесный лов рыбы», «Христос в Эммаусе», а также над образами Спасителя и Богоматери для больших киотов. Ижакевич написал иконы «Собор преподобных печерских старцев», «Собор святых апостолов», изображения в кругах под куполом: образы пророков и праотцев, композиции «Рождество», «Сретение», «Крещение» и «Воскресение». Лаков готовил поверхности под живопись, исполнил позолоту фонов, орнаменты на стенах и сводах.
Настенная живопись Трапезной палаты производит впечатление необычайного богатства. Несмотря на канонический характер, декоративные элементы росписи представляют огромную художественную ценность и столь же существенный исторический интерес. Великолепный иконостас из металла и мрамора стал результатом совместного творчества киевлянина Дрекслера и мастера из Москвы М. Н. Рындина. Созданиями приезжих мастеров являются большие киоты из зеленого мрамора с мозаичными узорами, изготовленные в петербургской скульптурной мастерской «Братья Ботта».
Изящные бронзовые капители отливали скульпторы К. Робекки и В. Гаврилов. Последний славился как превосходный исполнитель памятников, которые делал для многих российских городов.
Пострадавшие во время Второй мировой войны здания Трапезной палаты и храма были восстановлены в 1973 году, когда большой полусферический купол церкви украсили медные позолоченные лучи. Лаврские мастера покрыли семь боковых куполов медными листами, а затем позолотили главки. Наружные стены вновь засияли свежей побелкой. Тогда же на потолке в центре зала появилось отреставрированное бронзовое с серебром паникадило — свечная люстра весом более тонны.
Благодаря превосходным акустическим свойствам Трапезной церкви сейчас здесь часто выступают камерные ансамбли, как хоровые, так и оркестровые. У северной стены здания за красивой оградой сформировалось небольшое кладбище, где похоронены казненные Мазепой украинские военачальники. С 1709 года под тяжелыми мраморными плитами покоятся останки генерального судьи Василия Кочубея и полковника Полтавского казацкого полка Ивана Искры. Пушкин, посетивший лавру в 1821 году, побывал на могилах «праотцев казненных», позже упомянув это печальное место в поэме «Полтава»: