Gradnja katedrale Zvartnoc započela je u teškim vremenima za Armeniju. Naime, u to vrijeme velik dio Armenije bio je pod bizantskom kontrolom. Bio je to period prvih provala u područje muslimanskih Arapa koji su pustošili zakavkaske zemlje. Gradnja katedrale započela je 643. godine za vrijeme katolikosa Nersesa III. Graditelja. Katedrala je bila posvećena svetom Grguru Prosvjetitelju, a izgrađena je na mjestu na kojemu su se navodno svojevremeno sastali kralj Tiridat III. i sv. Grgur. Tim susretom kršćanstvo je postalo državnom religijom.
Prema srednjovjekovnomu armenskom povjesničaru Mojsiju Kagankatvaciju, katedrala je djelomično završena i posvećena 652. godine, nakon čega je, sve do 659. godine, nastavljena njezina izgradnja. Nakon arapske okupacije i intenziviranja ratova između bizantskih i arapskih vojski na nekadašnjoj istočnoj granici, katolikos Nerses prenosi rezidenciju katolikosa iz Dvina u Zvartnoc, čime ova katedrala postaje crkveno središte Armenije.
U tom statusu Zvartnoc je ostao do kraja 10. stoljeća. O rušenju katedrale postoje dvije teorije, dok sami povijesni izvori nisu sasvim pouzdani. Moguće je da je katedrala porušena u prodoru Arapa, a postoji mogućnost da je katedrala srušena u razornu potresu.
Jedinstvena arhitektura
Sama katedrala je specifičnoga oblika, okrugla s tri kružne osnove, odnosno tri kata te visinom od 45 m. Katedrala u Zvartnocu poslužila je kao uzor kod dizanja katedrale u gradu Aniju za vrijeme vladavine Gagika I. Bagratunija u zadnjem desetljeću 10. i početkom 11. stoljeća. Ta je crkva trebala biti rekreacija Zvartnoca.
Za razliku od brojnih armenskih crkava koje su rušene tijekom povijesti, porušena katedrala u Zvartnocu ostaje neobnovljena i zakopana do početka 20. stoljeća, kada se počinje s njezinim otkopavanjem. Veći dio iskopan je između 1901. i 1907. godine, kada se otkrivaju temelji katedrale, kao i ostaci katolikosove palače i vinarije. Iskopavanja nadalje otkrivaju da je Zvartnoc stajao na ostacima građevina koje datiraju iz vladavine kraljevstva Urartu, preciznije iz vremena kralja Ruse II., o čemu svjedoči i jedna kamena stela s klinastim pismom, pronađena u nižim arheološkim slojevima tijekom iskapanja.
Današnji izgled iskopina nastao je nakon rekonstrukcije ovoga zdanja. Pritom je korišten izvorni materijal do kojega su arheolozi došli prilikom iskapanja katedrale. Velik broj stručnjaka prihvaća djelomičnu rekonstrukciju iz 1905. godine i smatra je uspješnom. Rekonstrukciju je vodio armenski arhitekt Toros Toramanian, koji je radio i na njezinu iskopavanju. Model prvobitnoga izgleda crkve danas se čuva u malomu muzeju pored iskopina katedrale.
Crkva s vinarijom
Sama unutrašnjost katedrale bila je uspješno uređena, a pod je bio izrađen od kamena koji je bio složen u vidu mozaika. Taj mozaik bio je složen u obliku grčkoga križa ili tetrakona oko kojega se nalazio uzak prolaz koji je okruživao središnji dio crkve. Eksterijer je ukrašavala dodatna kružnica u vidu 32-stranoga poligona sa stupovima koji se i danas vide. Ovi su stupovi bili načinjeni od kvalitetnijega kamena nego što je korišten za gradnju zidova.
Vidljivo je kako su stupovi izrađeni u više različitih stilova, a podsjećaju na kombinaciju korintskoga i dorskoga stila, koje nalazimo u antičkoj Grčkoj. Između grčke i armenske civilizacije postojala je stalna komunikacija, pa su međusobni utjecaji ovih kultura osjetni i u arhitekturi. Očuvani su i brojni reljefi s pleterima i armenski ranokršćanski križevi. Drugi motivi bili su voće, među kojim dominira grožđe, te životinjski motivi, najčešće orlovi i lavovi.
U središnjemu dijelu katedrale stajala je i krstionica, u podu, svojstvena za antičke crkve. Novokrštenici bi u tim krstionicama bili potopljeni u vodu i uranjanjem primili krštenje. Slične su krstionice nađene i u nekim kasnoantičkim crkvama Bosne i Hercegovine. Kupola katedrale bila je specifična, slična kupolama koje danas nalazimo na armenskim crkvama, a njezini ostaci još se uvijek mogu pronaći kako leže pored crkve. Kupola je bila izrađena od manjega obrađenog kamenja povezanoga malterom, a čvrstoću joj je osiguravao zaglavni kamen. Taj kamen je imao i željeznu alku za koju je bio pričvršćen uteg koji je služio kao protuteža. Danas se zaglavni kamen zvartnočke kupole čuva u obližnjemu muzeju.
Kompleks katedrale u Zvartnocu pored crkve je sadržavao i palaču, pravo remek-djelo graditeljstva. Glavni građevni materijal ove palače bili su vulkanski tufovi koji su se mogli jednostavno obrađivati. Građevni elementi bili su veliki blokovi od vulkanskoga kamena koje su graditelji povezivali različitim načinima, ponajčešće olovnim ili željeznim dodacima. Kako su oba ova materijala porozna, oblagalo ih se vrlo precizno isklesanim kamenim pločama crvenkastih nijansi. Palača je sadržavala brojne prostorije za skupove svećenika i za monahe. Imala je i kupalište kakvo je u to vrijeme u zapadnoj Europi bilo nezamislivo. Svetište je bilo dobro opskrbljeno vodom iz podzemnih bunara dubokih i do 50 m. U katedralnom kompleksu očigledno se vodilo računa i o vremenu. Do danas su očuvani brojni ostaci sunčanih satova koji su ukrašavali dvorište katedrale i palače.
Još jedan kuriozitet predstavlja vinarija koja se nalazila u odvojenomu objektu u kompleksu katedrale. Ova vinarija je vjerojatno jedna od najstarijih u svijetu. Već na prvi pogled očito je kako su Armenci u to vrijeme imali vrlo oštroumnu tehnologiju proizvodnje vina. O tomu svjedoče kameni bunari u podu vinarije i kameni kanali između njih. Ti kanali služili su za pretakanje vina. Vino se tada nije čuvalo u bačvama, nego u kamenim posudama. Prema raspoloživim ostacima, čini se da su vino pretakali dva puta prije nego se ono kasnije služilo na dvoru.
Zajedno s kompleksom katedrale u Ečmijadzinu, arheološki lokalitet katedrale i palače u Zvartnocu upisan je 2000. godine na UNESCO-ov popis svjetske kulturne baštine.
