Десятинна церква була трьохпрестольна: головний престол посвячено Богородиці. Другий боковий престол - святителю Миколаю, тому що в цьому преділі знаходилась чудотворна ікона Святителя Миколая, привезена Володимиром із Корсуня. На спомин про цю ікону в часи митрополитства Петра Могили кияни називали відроджений з руїн храм "Микола Десятинний".

На думку дослідника київської старовини К. В. Шероцького є ще друга версія - нібито цей образ був взятий князем Володимиром із Миколаївської церкви на Аскольдовій могилі, при перенесені звідти тіла святої Ольги в Десятинну церкву.
Третій боковий престол - священномученнику Клименту, оскільки в цьому преділі знаходилась глава священномученика Климента і його учня Фіви та інші мощі святих привезених також із Корсуня. Німецький літописець Марзебургзький єпископ Дітмар (+1018), сучасник князя Володимира, бачив в цьому храмі главу святого Климента, папи Римського і помилково із-за цього назвав Десятинну церкву - церквою святого Климента.Анонімне "Слово на оновлення Десятинної церкви" прирівнює святого Климента до "церковного солнца", яке "оть Рима убо в Херсон, от Херсона въ нашю Рускую страну створи приити". З пришестям святого Климента до Києва це місто, наповнившись благодаттю, стало на Русі "всех град славне". 
Вдруге глава як велика київська святиня, що знаходилась в Десятинному храмі згадується в Літописі, де мова йде про поставлення митрополитом Київським Климентія Смолятича без благословення Константинопольського Патріарха. Із-за непорозуміння між єпископами сталось так, що: "Він же, Онофрій таки чернігівський, тяжко сердячись на них за це, сказав: "Я довідався, належить нам поставити, бо голова в нас є святого Климента. Адже ставлять греки рукою святого Іоанна". І тоді, обдумавши, єпископи головою святого Климента поставили його, (Клима), митрополитом". Святитель Климентій Смолятич був ще і тезкою священномученика Климента. За переданням глава священомученика Климента зараз знаходиться серед мироточивих глав у Києво-Печерській Лаврі. 

Була і ще одна святиня в цьому храмі - чудотворний образ Богородиці про який згадується в житії святих мучеників Бориса і Гліба. Як і глава священомученика Климента, ця ікона являлась найстародавнішою святинею Києва і привезена була із Корсуня дружиною князя Володимира Анною в якості приданного. Образ був за повелінням грецької царівни поставлений в Десятинному храмі. Згодом ця ікона Богоматері була віддана одним із київських князів в приданне за дочкою або сестрою, яка відправлялась до Белзького князівства. Друга версія більш ймовірніша - цю ікону вивіз із Києва в 1270 році князь Лев Данилович і помістив її в церкві міста Белза, а в 1382 святиня потрапила до Ченстохова і стала головної святинею Польщі під назвою чудотворного образу Ченстоховської Божої Матері.
Вже згадуваний дослідник Києва К. Шероцький вважає, що цей образ в 1500 році був вивезений із Києва в Двінськ. [
До часу освячення церква збагатилася начинням, ризницею та іншими церковними речами, які привіз князь Володимир з Корсуння. Серед святих речей були чесні хрести, які потім називали корсунськими або Володимировими. Один із таких хрестів Х століття грецької роботи був знайдений в братській могилі біля Десятинної церкви під час розкопок. Ймовірно цей хрест був поставлений на березі Дніпра при хрещенні Руси-України. Хрест кований із заліза і покритий листовим сріблом з обох сторін. По кутах були мощі під шклом, одне із них збереглося. По краях видно отвори для дорогоцінного каміння. В центрі зображення святого Федора Тирона. 
Можна було собі уявити, як велично звучали в могутніх стінах Володимирового храму церковні піснопіння, як лунали з вуст віруючих гарячі молитви подяки за великі благодійства Господні до народу і країни.

Назва церкви Десятинної або ще "соборної мармурової" рівно ж як і ще одна літописна назва "Пресвятої Богородиці" не вказують якому Богородичному святу вона була посвячена. Устав святого Володимира її називає просто соборною, а пізніша київська традиція дає Десятинній церкві ім`я "Богородиці в Дівєх". Єдина вказівка на храмове святкування в Десятинній церкві подає нам літопис з приводу 8-ми денного свята при посвяченні Преображенської церкви у Василеві: "І празникував князь Володимир тут вісім днів, і вертався до Києва на Успіня святої Богородиці. І тут знову він празник світлий справляв, скликаючи незчисленне множество народу. Він бачив же, (що) люди є християнами, (і) радувався душею і тілом. І так в усі літа він чинив".

Митрополит Євгеній на цій підставі думав, що Десятинна церква була присвячена Успіню Пресвятої Богородиці. Це співпадає з літописними повідомленнями про те, що Володимир в Корсуні хрестився у Влахернській церкві, який мав свою традиційну тяглість до відомого Царгородського Влахернського храму, в якому зберігалися реліквії Успіня - гріб з ризою Богородиці. Шанування Успіня в Київській Русі Україні було досить поширене. 

Храми на честь Успіня виникають в багатьох містах і стають священним палладіумом, як на півдні так на заході і півночі Київської держави - Велика Печерська церква, храми в Каневі, Переяславі, в Чернігові, Володимирі-Волинському; Суздалі, Володимирі на Клязьмі. Після свого третього оновлення (ХІХ ст.) церква була посвячена в честь Різдва Богородиці. М. М. Захарченко в своїй книзі "Киев тепер и предже" зазначає, що церква нова ХІХ століття є парафіяльною і храмовим святом її є день 8 вересня Різдва Пресвятої Богородиці.