В 1010–1029 гг. при каталикосе Грузии Мелхиседеке на этом месте воздвигается новый патриарший храм во имя Двенадцати Апостолов Христовых. На постройку кафедрального собора Мцхеты делают пожертвования многие правители грузинских царств. Посылает вклад и византийский император. Возводится крестово-купольный трехнефный храм, немного вытянутый по продольной оси и увенчаннный грациозным куполом, опирающимся на четыре мощных столба. Фасады его отделываются изысканными декоративными арками, типичными для грузинской архитектуры рубежа X–XI вв., придавая всему сооружению строгую и спокойную величавость. Карнизы, обрамления окон сплошь покрываются резным орнаментом. Высокие стены интерьера церкви тонко смягчаются сооружением хоров, придающими внутреннему пространству определенную легкость. Позднее, в XIII–XIV вв. в южный неф будет встроена небольшая часовня-ротонда — дань композиции храма Гроба Господня.
Со строительством храма связано несколько старинных преданий. По одному из них, зодчий Арсукидзе, возводивший храм, стал жертвой зависти и был оклеветан своим учителем, которого значительно превзошел в творчестве. Ему отрубают в наказание десницу Популярная в народе древняя легенда подтверждается рельефом правой руки, держащей угольник, и краткой надписью «Рука раба Божьего Арсукидзе, помяните», размещенной над центральной аркой северного фасада собора.
Храмовый комплекс в начале XI в. был обнесен каменной оградой с парадными воротами, на которых сохранилась строительная надпись инициатора строительства католикоса Мелхиседека. В настоящее время ворота восстановлены, радуя посетителей величием архитектурно-декоративного оформления.
Храм «Свети-Цховели» неоднократно разрушался полчищами завоевателей, разделяя печальную судьбу многострадальной Грузии, но каждый раз восстанавливался. Следы переделок и сейчас легко обнаруживаются специалистами. Особенно пострадал собор в конце XIV в., при нашествии Тамерлана, по повелению которого были подрублены устои храма, но он, несмотря на это, устоял. При грузинском царе Александре (1413–1442) собор был полностью восстановлен по старому плану, следы восстановлений которого легко читаются в западной части постройки. И в дальнейшем в храме будут проводиться многочисленные переделки. Существующий ныне шатер купола будет установлен в 1656 г., а окончательный вид собор приобретет в XVIII столетии при царе-историке Вахтанге V. В том же веке, по приказу царя Ираклия II, храм окружается квадратной в плане крепостной стеной с несколькими небольшими башнями.