Construcţia katholikonului, făcută din daniile viitorului împărat Nechifor Focas şi cu stăruinţa cuviosului Atanasie Athonitul, a început în luna mai a anului 963. Katholikonul a fost gândit de arhitecţi după modelul celor mai impunătoare şi mai noi biserici pentru acea vreme din Constantinopol. Astfel, biserica principală a Marii Lavre a devenit nu numai prima de pe muntele Athos, dar şi prima din zona balcanică, construită după tipologia arhitecturii din Constantinopol.

Planul iniţial al construcţiei era în formă de cruce, având cupola pe un cilindru cu faţete. La rândul lui, cilindrul se sprijinea pe patru coloane. Acest tip de construcţie bisericească s-a răspândit ulterior în toate colţurile lumii, unde s-a făcut simţită influenţa bizantină, căpătând denumirea de cruce-cupolă. Odată cu trecerea timpului, aspectul katholikonului s-a schimbat. Mai târziu, construcţiei i-au fost alipite spaţii pe laterale, numite abside, care au schimbat aspectul întregului aşezământ, acesta devenind triunghiular. Se consideră că această tipologie de construcţie triunghiulară, cu abside la nordul, la sudul şi la estul capetelor crucii, este o inovaţie specifică Athosului.

Katholikonul a fost închinat mai întâi Bunei Vestiri a Preasfintei Născătoarei de Dumnezeu. După 1425, hramul mănăstirii a fost schimbat la porunca Maicii Domnului şi, de atunci, se prăznuieşte în ziua mutării Sfântului Atanasie Athonitul, ctitorul ei.

Restaurări importante ale katholikonului au avut loc după seismele produse în secolul al XVI-lea, începutul secolului al XVII-lea şi în secolul al XIX-lea. Aspectul actual al bisericii, dobândit în urma reparaţiilor făcute în anul 1814, include mai multe lăcaşe care au fost unite într-un unic complex monahal.

Pe laturile de sud şi de nord ale katholikonului s-au adăugat cele două paraclise închinate celor 40 de Mucenici din Sevastia şi Sfântului Ierarh Nicolae, făcătorul de minuni. În paraclisului Sfinţilor 40 de Mucenici din Sevastia se găseşte mormântul cu moaştele Sfântului Atanasie Athonitul şi icoana mult cinstită de lavrioţi a Maicii Domnului „Iconomissa”.

Din vechea pictură se mai păstrează doar un fragment din icoana Sfântului Ierarh Nicolae, datând de la începutul secolului al XIV-lea. S-au mai păstrat, de asemenea, uşile originale din bronz de la intrarea în biserică.