Владимирский собор построен на месте старинной церкви. Как утверждают церковные предания и свидетельства историков, именно в ней после взятия Херсонеса (в русских летопиясх Корсуня), Великий князь Владимир Святославович принял крещение в 988 году в древнем античном городе.
Русско-византийская война привела к женитьбе Владимира на византийской принцессе Анне и принятию православной веры. По свидетельству «Повести временных лет» летописца Нестора, Крещение Великого Владимира состоялось «посреди града, где собираются корсунцы на торг».
В 1825 году главнокомандующий Черноморским флотом и портов вице-адмирал Алексей Самуилович Грейг подал императору Александру I докладную записку с инициативой строительства в Херсонесе храма в память крещения равноапостольного князя Владимира.
Проведенные здесь в 1827 году археологические раскопки под руководством Карла Крузе, которые обнаружили руины древних христианских храмов, не оставили сомнений, что собор должен быть возведен над руинами святыни в центре древнего города. 
Однако, после смерти императора Александра I замыслу не суждено было осуществиться. По решению нового царя Николая I, на месте для храма запланировали соорудить лишь памятник-обелиск, который также не построили.
Только после окончания Крымской войны, 2 июля 1859 года, следующий император Александр II утверждает проект строительства храма в византийском стиле академика архитектуры Давида Гримма.
23 августа 1861 года в присутствии Александра II и Марии Александровны осуществляется закладка собора. В 1874-1876 годах при участии инженера-архитектора Максимилиана Арнольда строительство завершилось. К работам по убранству и росписи грандиозного по величине собора приложили руку итальянские мастера И. Сеппи и братья Баскарини. В храме появились иконы, написанные известными художниками В.И. Неффом, П.Т. Риссом, И.А. Майковым.
Главный престол верхнего храма освятили 17 октября 1891 года. В тяжелые годы после гражданской войны, в 1924 году в соборе провели последнюю службу, после чего он прекратил деятельность. В период Великой Отечественной войны храм сильно пострадал от бомб, надежды на его восстановление почти не оставалось.
Но в 1999 году началась реставрация Владимирского собора. В 2001 году состоялась церемония воздвижения и освящения креста, а в апреле 2004 года совершено Пасхальное богослужение в отреставрированном соборе.