Zvartnots được xây dựng vào thời điểm mà phần lớn Armenia đang dần bị chiếm đóng bởi Đế quốc Sasan. Việc xây dựng nhà thờ bắt đầu từ năm 643 của người đứng đầu Công giáo toàn Armenia Nerses III (được mệnh danh là Người xây dựng) để dành riêng cho Thánh Gregory. Nó được xây dựng tại nơi diễn ra cuộc gặp gỡ của vua Tiridates III và Thánh Gregory. Theo nhà sử học người Armenia thời Trung Cổ Movses Kaghankatvatsi thì nhà thờ được thánh hiến vào năm 652.[1] Từ 653 đến 659, Nerses đã ở Tayk và việc xây dựng nhà thờ tiếp tục dưới thời Anastas Akoratsi. Sau khi thành phố cổ Dvin bị chiếm đóng bởi những người Ả Rập, và các cuộc chiến tranh khốc liệt giữa Đông La Mã với Ả Rập ở biên giới phía đông,Nerses đã chuyển dinh của những người Công giáo từ Dvin sang Zvartnots.[2]

Nhà thờ Zvartnots đứng vững cho đến cuối thế kỷ thứ 10, nhưng các nguồn lịch sử không nói rõ về nguyên nhân khiến nó sụp đổ.[3] Một bản sao gần giống của nhà thờ được dựng lên tại Ani bởi kiến trúc sư Trdat dưới thời Gagik I trong thập kỷ cuối thế kỷ 18. Nhà sử học thế kỷ 11 người Armenia Stepanos Asoghik nhắc đến Zvartnots khi mô tả nhà thờ mà Gagik I xây dựng là "một công trình lớn tại Vałaršapat dành riêng cho cùng một vị thánh nhưng đã bị phá hủy".[4]

Các tàn tích của nhà thờ này bị chôn vùi cho đến khi phần còn lại của nó được phát hiện vào đầu thế kỷ 20. Cuộc khai quật được tiến hành từ năm 1901 đến 1907 dưới sự chỉ đạo của Vardapet Khachik Dadyan. Nền móng của nhà thờ cùng với những gì còn sót lại của Dinh Giáo hội và một Xưởng rượu được khám phá. Cuộc khai quật còn tiết lộ rằng, Zvartnots được xây dựng trên một cấu trúc tàn dư của Urartian dưới triều đại của Rusa II.