Согласно армянскому историку Себеосу, построен при католикосе Нерсесе III Строителе 640—650 годах, планировавшем перенести свою резиденцию из Двина в Вагаршапат. Нерсесу III также приписываются строительство сооружений в Двине и Хор-Вирапе и похожей на Звартноц церкви в его родном селе Ишхан в Тайке. На церемонии освящения колоссального храма присутствовалвизантийский император Констант II, пожелавший построить такой же в Константинополе. В X веке храм из-за слабости узлов опор второго яруса обвалился во время землетрясения. Руины Звартноца открыты раскопками в 1901—1907 годов. К настоящему времени почти целиком реконструирован первый ярус.

Храм, по реконструкции Т. Тораманяна, представлял собой круглое трехъярусное купольное сооружение (диаметр нижнего яруса 35,75 м). В круг основания вписан крест, три крыла которого образованы по полукругу 6 колоннами, а восточное крыло — апсида — было глухой стеной, которую покрывали мозаики и фрески. У алтарной апсиды — высокое возвышение, с одной стороны — амвон, впереди — крестильная купель. Сзади к апсиде примыкало квадратное помещение, видимо, ризница, из которой поднимались по лестнице в коридор, шедший по верху первого яруса.

Фасады храма были украшены аркатурой, резьбой, рельефными плитами с орнаментами и гроздьями граната и винограда. Колонны Звартноца увенчаны массивными капителями с изображениями крестов, орлов, донаторов храма. На юго-западе от храма — развалины патриаршего дворца, жилых помещений Нерсеса III, винодавильни.