Вулиця прокладена не пізніше XVIII століття, на плані міста 1803 року, складеному архітектором Андрієм Меленським, зазначена під назвою Трьохсвятительська[1], на плані міста 1838 року — Андріївська[2]. Пізніше, після продовження у 1830–40-х роках Трьохсвятительської вулиці до Хрещатика, залишалася у її складі. У 1861 році була віднесена до вулиць 2-го розряду[3].
У 1919 році існував проект надати їй назву Княжий Двір (оскільки саме поблизу неї був розташований палац великих князів київських)[4]. У 1919–1955 роках складала частину вулиці Жертв Революції[5][6], з 1955 року — вулиці Героїв Революції[7]. У 1958 році виділена в окрему вулицю і тоді ж одержала сучасну назву — від Десятинної церкви[8], що була розташована поблизу, на вулиці Володимирській, 2.
№ 13 — Жмаченку Пилипу Феодосійовичу (1895—1966), Герою Радянського Союзу, що жив у цьому будинку в 1946–1966 рр. Відкрито у 1967 році, замінено у 1978 році; архітектор А. Д. Корнєєв.
↑План города Кіева 2й и 3й частям съ принадлежащими къ нимъ слободами. Кіевскій Городовой Архитекторъ Колежскій Асессор Андрей Меленскій. 1803 года Сентября 14го дня Планъ Сочиненъ. Масштабъ въ 1 англійскомъ дюймѣ 20 саженъ // Наук. архів Ін-ту археології НАН України. — ф. 14. — спр. 116. (рос. дореф.)
↑Планъ Старокіевской части съ таковаго жъ общаго городу 1837го года въ 27й день Ноября Высочайше утвержденнаго съ показаніемъ обывательскихъ мѣстъ подошедшихъ подъ улицы Университетскую, Золотоворотскую, Ириновскую и Михайловскій переулокъ. 1838 года составилъ къ рапорту отъ 21 Апрѣля за № 82 Кіевскій Городовой Землемѣръ Титулярный Совѣтникъ Шмигельскій. Масштабъ въ 1 англійскомъ дюймѣ 50 саженъ // Наук. архів Ін-ту археології НАН України. — ф. 14. — спр. 14. (рос. дореф.)