За увесь час існування Андріївська церква не зазнала значних змін і перебудов, хоча ремонтувалася багато разів.
Перші ремонти XIX століття
На початку XIX століття через бурі й негоди церква втратила декор верхів бань і маківок. Ремонтні роботи 1826–1829 років виконувалися за проектом та під наглядом архітектора Андрія Меленського. Складання проекту наступного ремонту доручили київському єпархіальному архітектору Павлу Спарро. За його проектом передбачався ремонт храму, паперті, стилобату і сходів. Роботи провели у 1844–1845 роках. Тоді ж дерев’яні сходи замінили на чавунні, а паперть вкрили чавунними плитами.
Капітальний ремонт до сторічного ювілею
До сторічного ювілею церкви, який відзначали у 1867 році, провели капітальний ремонт. Збудували водозбірник, що перехоплював підземні джерела. Замінили плити паперті, а з північного боку під тумбою огорожі звели контрфорс.
Струхлявілі дерев’яні крокви замінили на нові. Перекрили дах і бані, пофарбували фасади, позолотили орнаментальні прикраси. В інтер’єрі відновили позолоту кафедри, царського місця й ліпного оздоблення.
Ініціатором ремонту був Андрій Муравйов, роки життя 1806–1874. Поет, драматург, публіцист, релігійний та громадський діяч, він зробив дуже відчутний внесок у збереження Андріївської церкви. Йому вдалося умовити царський уряд виділити з казни значні кошти. Роботи тривали кілька років.
У 1858 та 1864 роках у стилобаті влаштували храми на честь святих Захарія і Єлизавети та Сергія Радонезького. Там проводили богослужіння холодної пори року. Опалювальну систему, спочатку калориферну, а пізніше водяну, змонтували в Андріївській церкві вже у XX столітті.
Дев’ятнадцятого серпня 1867 року відбулося урочисте відзначення сотої річниці від дня освячення храму. На святкуванні була присутня вища військова та цивільна влада Києва.
Дарунки храму до ювілею
Завдяки клопотанню Муравйова Андріївська церква отримала до свята коштовні подарунки. Від царської сім’ї — ікону, Євангеліє та облачення. Від київського митрополита Арсенія — картину Платона Бориспольця «Проповідь апостола Андрія». Від графа Шереметєва — картину «Вибір віри князем Володимиром». Сам Муравйов пожертвував храму частку мощей апостола Андрія, привезених 1850 року з Афону.
Андріївська церква в риштуванні під час реставрації 1978–1979 років.
Андріївська церква після завершення комплексної реставрації. Відреставровані бані й позолочений декор.
Ремонти кінця XIX і початку XX століття
У 1892 році удар блискавки пошкодив маківку центральної бані. Проектну документацію на ремонт верхів підготував єпархіальний архітектор, академік архітектури Володимир Ніколаєв. На жаль, під час ремонту 1894–1895 років дерев’яні конструкції замінювали на металеві, і обриси центральної бані частково змінилися.
Протягом XX століття в пам’ятці кілька разів здійснювали ремонтно-реставраційні роботи. У 1923–1926 роках навколо церкви спорудили обвідне кільце дренажної системи. Його поєднали з розчищенням та використанням уже існуючих колодязів. У 1930-х роках капітально відремонтували дах і фасади, заново отинькували стіни, пофарбували бані, з північного боку переклали підпірну стінку.
Відбудова після Другої світової війни
Протягом 1949–1950 років ліквідовували ушкодження, яких церква зазнала під час війни. Ремонтували металеві каркаси бань, чавунні сходи, огорожу й паперть. Укріплювали хрести на маківках. Дах і бані, де були вибоїни від куль, перекривали листовим залізом. Перекладали ушкоджені ділянки цегляного мурування стін, тинькували та фарбували фасади.
Провели капітальний ремонт цокольної будівлі й реконструювали системи опалення і вентиляції. У 1950 році вздовж західної підпірної стіни сходів звели одноповерхову прибудову, яка примикає до південного фасаду стилобату.
Через зсув ґрунту в 1970-х роках схили пагорба довелося закріпити. Для цього використали напівкільця буронабивних залізобетонних паль завглибшки до 20 метрів. На них змонтували залізобетонну підпірну подушку, а зверху влаштували оглядовий майданчик.
Повернення первісного вигляду верхів
У 1978–1979 роках верхи церкви відновили у первісних формах. Основою послужили автентичні кресленики Растреллі, фотокопії яких надійшли з віденського музею «Альбертина». Автор проекту реставрації — архітектор Валентина Корнєєва, яка увійшла в історію реставрації храму як фахівець надзвичайно високого рівня.
По завершенні цих робіт Андріївська церква набула зовнішнього вигляду, передбаченого авторським задумом Растреллі. Храм посів належне місце в історії вітчизняної та світової архітектури.
Реставрація живопису й різьблення
Протягом десятиліть реставрацію живопису та дерев’яного різьблення виконують спеціалісти корпорації «Укрреставрація» і Національного науково-дослідного реставраційного центру України.
З 1992 по 2000 рік в Андріївській церкві проводилися значні ремонтно-реставраційні роботи. Укріпили ліплення, змінили несучу балку іконостаса, переклали мармурову підлогу. Провели зміцнення колон, ремонт сходів, паперті й стилобату.
Комплексна реставрація 2009–2020 років
Через аварійний стан пагорба у 2009–2011 роках здійснили укріплення схилу. Зміцнили конструкції споруди церкви та стилобатної частини, виконали роботи з благоустрою схилів, гідроізоляції й мощення паперті.
Далі роботи охопили екстер’єр та інтер’єр храму. Реставрацію виконували реставратори науково-дослідної майстерні Національного заповідника «Софія Київська» разом із генеральним підрядником. Роботи умовно поділили на чотири напрями: метал, камінь, дерево і живописне полотно.
Всебічне дослідження архівних, бібліографічних та іконографічних джерел дало можливість вести реставрацію на наукових засадах. Аналіз будівельних матеріалів, вивчення конструкцій і точні археологічні обміри лягли в основу проектних рішень. Роботи виконували з урахуванням передових технологій за принципом повного збереження існуючих форм пам’ятки та її деталей.
Досвід цієї реставрації описано в книзі «Диво над Дніпром. Історія Андріївської церкви крізь призму реставрації 2009–2020 років». Її презентували в самому храмі.
Храм сьогодні
Будівля Андріївської церкви входить до складу Національного заповідника «Софія Київська». У 2018 році Верховна Рада ухвалила закон про передачу храму в постійне безоплатне користування Вселенському Константинопольському патріархату. Церква має статус ставропігії Вселенського патріарха.