Обойдя несколько монастырей, Феодосий остался возле Антония и в 1058 г. в основанной им Печерской обители принял монашеский постриг от Никона (Иллариона, принявшего это имя в монашестве). За смиренную жизнь, трудолюбие и высокую духовность Феодосий вскоре был рукоположен в иеродиаконы, а затем и в иеромонахи. Мать, не прекращавшая поиски сына, нашла его в Печерском монастыре. Она умоляла его вернуться к светской жизни, но Феодосий в конце концов уговорил и ее принять монашество.
В 1062 г. Феодосий, с благословения преподобного Антония, стал игуменом Печерского монастыря. Возраст, воспитание и характер способствовали его бурной деятельности по развитию и расширению обители. Вскоре братия насчитывала около ста человек — довольно много не только по древнерусским понятиям, но и по меркам Византии. Такое быстрое увеличение количества монахов требовало сооружения новых келий и развития монастырского хозяйства. Нужна была большая, вместительная церковь для братии и многочисленных прихожан.
Поэтому все усилия Феодосий сосредоточил на возведении в Печерском монастыре величественного храма в честь Успения Пресвятой Богородицы. Для этого требовались значительные средства (часть которых выделил княжеский двор, остальное удалось собрать с благочестивых прихожан и гостей монастыря), материалы, утварь и умелые мастера. Большинство их пригласили из Византии. Успенский собор был заложен Феодосием, с благословения доживавшего свои дни Антония, в 1073 г., а завершен уже после их смерти в 1078 г.
При Феодосии отношения Печерского монастыря с центрами византийской церковно-монашеской жизни заметно усилились. В частности, в период его игуменства в обители приняли Студийский устав, ставший со временем нормой жизни для древнерусских монастырей. Этот устав предполагал совместное проживание монахов и требовал высокой образованности братии, при этом предоставляя право праведным старцам на затворничество.
Сам Феодосий вел суровую аскетическую жизнь. Он пользовался высоким авторитетом, уважением и любовью как монахов, так и мирян, активно занимался литературной, прежде всего богословско-назидательной и церковно-публицистической деятельностью. Сохранились 11 его произведений: 2 послания к великому князю Изяславу Ярославичу, 8 «Слов» и «Поучений» монахам и молитва «За всех христиан». Эти произведения свидетельствуют о том, что Феодосий был в курсе богословских споров, приведших в 1054 г. к разделению до того времени единой церкви на православие и католицизм. В одном из своих «Слов», написанных около 1069 г., он компетентно отстаивает православный канон, возражая против латинских нововведений.
