За все время существования Андреевская церковь не претерпела значительных изменений и перестроек, хотя ремонтировалась много раз. В начале XIX века через бури и невзгоды церковь потеряла декор верхов бань и куполов. Ремонтные работы 1826 – 1829 годов выполнялись по проекту и под наблюдением архитектора А. Меленского. Составление проекта ремонта здания было поручено киевскому епархиальному архитектору П. Спарро. По его проекту предусматривался ремонт храма, паперти, стилобата и лестниц, который и был проведен в 1844-1845 годах. В это же время деревянные лестницы заменили чугунные , паперть покрыли чугунными плитами.
К столетнему юбилею церкви , который отмечался в 1867 году, был проведен капитальный ремонт: построен водосборник, что перехватывал подземные источники, заменены плиты паперти, с северной стороны под тумбой ограждения построен контрфорс. Сгнившие деревянные стропила заменили на новые, перекрыли крышу и купола, покрасили фасады, орнаментальные украшения позолотили. В интерьере восстановлена позолота кафедры, царского места, лепного убранства. Инициатором ремонта храма был А. Муравьев (1806 -1874) – поэт, драматург, публицист религиозный и общественный деятель, личный вклад которого в сохранение Андреевской церкви очень ощутим. Ему удалось уговорить царское правительство выделить из казны значительные средства на ремонтные работы, которые продолжались несколько лет. В 1858 и 1864 годах в стилобате было обустроены храмы в честь святых Захария и Елизаветы, а также Сергея Радонежского, где проводились богослужения в холодную пору года. Отопительная система – сначала калориферная, а позже водяная – была смонтирована в Андреевской церкви в XX веке.
19 августа 1867 в присутствии высшего военного и гражданской власти Киева состоялось торжественное празднование сотой годовщины со дня освящения храма Андрея Первозванного. Благодаря ходатайству А. Муравьева, Андреевская церковь получила к празднику ценные подарки от царской семьи – икону, Евангелие, облачения; от Киевского митрополита Арсения – картину П. Бориспольця «Проповедь апостола Андрея» , от графа Шереметьева – картину «Выбор веры князем Владимиром». Сам Муравьев пожертвовал храму частицу мощей апостола Андрея, привезенных 1850 с Афона .
После удара молнии (1892), которая повредила маковку центрального купола, проектную документацию на ремонт верхов Андреевской церкви подготовил епархиальный архитектор, академик архитектуры В. Николаев . К сожалению, во время ремонта 1894 -1895 годов, когда деревянные конструкции заменялись на металлические очертания центрального купола частично было изменены. На протяжении XX века в здании несколько раз проводились ремонтно-реставрационные работы. В 1923 – 1926 годах вокруг церкви сооружается огибающее кольцо дренажной системы с расчисткой и использованием уже существующих колодцев. В 1930-х годах была капитально отремонтирована крыша, фасады сооружения, заново оштукатурены стены, окрашены купола , с северной стороны переложена подпорная стенка.
В течение 1949-1950 годов ликвидировались повреждения, которым Андреевская церковь подверглась во время Второй Мировой войны: ремонтировали металлические каркасы куполов, чугунные лестницы, ограждения, паперть, укрепляли кресты на маковках; крыша и купола, где были выбоины от пуль, перекрывали листовым железом; переложили поврежденные участки кирпичной кладки стен; фасады красили; был проведен капитальный ремонт цокольной здания церкви; реконструировались системы отопления и вентиляции. В 1950 году вдоль западной подпорной стены лестницы церкви была построена одноэтажная пристройка, которая примыкает к южному фасаду стилобата .
Из-за оползня, произошедшего в 1970-х годах, склоны холма пришлось закрепить полукольцами буронабивных железобетонных свай глубиной до 20 м, на которых смонтирована железобетонную подпорная подушка, а сверху на ней устроена смотровая площадка .
В 1978 – 1979 годах был восстановлен в первоначальных формах верх здания на основе аутентичных чертежей Ф.-Б. Растрелли , фотокопии которых поступили из Венского музея «Альбертина» (автор проекта реставрации – архитектор В. Корнеева, которая вошла в историю реставрации Андреевской церкви как специалист очень высокого уровня). По завершении реставрационных работ по чертежам Растрелли, Андреевская церковь приобрела внешний вид, предусмотренный авторским замыслом, и заняла достойное место в истории отечественной и мировой архитектуры. На протяжении десятилетий реставрация живописи и деревянной резьбы Андреевской церкви выполняют высококвалифицированные специалисты корпорации “Укрреставрация” и Национального научно-исследовательского реставрационного центра Украины. С 1992 по 2000 год в Андреевской церкви снова проводились значительные ремонтно-реставрационные работы: укреплена лепка, изменена несущая балка иконостаса, переложен мраморный пол, проведено укрепление колонн, ремонт лестниц, паперти, стилобата. Из-за аварийного состояния холма, на котором стоит Андреевская церковь, в 2009-2011 годах осуществлено укрепление холма, укреплены конструкции здания церкви, стилобатной части , выполнены работы по благоустройству склонов, гидроизоляции и мощения паперти. Согласно проектной документации предполагается провести реставрацию экстерьера и интерьера церкви, ремонт лестниц, стилобата и т.д.. Всестороннее исследование многочисленных архивных, библиографических, иконографических источников, анализ строительных материалов, изучение конструкций, выполнения точных археологических обмеров позволило осуществлять реставрацию памятника, основываясь на научных принципах. Работы выполняются на высоком профессиональном уровне с учетом передовых технологий по принципу полного сохранения существующих форм памятника и его деталей.