В 1888 г. принимается решение о строительстве храма в честь 900-летия крещения Руси. Храм решили возвести на пустыре на границе татарской и русской слобод, чтобы ближе познакомить татар-мусульман с православными богослужениями. Построенный в этом месте собор должен был быть виден всем жителям Астрахани. 15 июля 1888 г., в день празднования памяти равноапостольного князя Владимира, к выбранному для строительства храма пустырю из всех церквей Астрахани был совершен крестный ход. Храм строился на пожертвования самих жителей. Для выбора лучшего проекта храма был организован конкурс, по итогам которого победил проект инженеров из Санкт-Петербурга В. Косякова и Н. Икавитца, дополненного астраханским архитектором П. Коржинским. К строительству собора приступили в 1895 г. В фундамент заложили памятную доску с описанием обстоятельств сооружения храма. Освящение собора состоялось 15 июля 1902 г., в год 300-летия Астраханской епархии и в день Благоверного князя Владимира. Для участия в этом событии был приглашён сам Иоанн Кронштадтский. Храм, выдержанный в византийском стиле, поднимается на высоту 50 метров. Внутренняя роспись была выполнена по эскизам Лепёшкина – ученика известного русского художника Нестерова.
После революции на долю храма выпало немало бедствий. Во время мартовского восстания рабочих в 1919 г. орудия боевых судов в упор расстреливали храм. Попытки взорвать храм предотвращали местные татары. В 1967 г. здание было переоборудовано под автовокзал. Русской православной церкви храм возвратили в 1999 г.
В 2002 г. храм освятили. Это торжество посетил сам Святейший Патриарх Алексий II.
