Собор заложен 15 июля 1854 года на Центральном городском холме. Во время войны 1854-55 гг. работы были преостановлены и продолжены лишь в 1858 г. Собор построен в византийском стиле по проекту профессора архитектуры К.А. Тонна, первоначальный проект был доработан и изменен академиком A.A. Авдеевым.
История собора началась в 1825 г., когда главный командир Черноморского флота и портов адмирал А.С. Грейг просил Высочайшего разрешения установить памятник на развалинах Херсонеса, где совершилось крещение кн. Владимира и откуда началось распространение православной веры на Руси. В 1829 г. был объявлен конкурс на создание памятника. Был утвержден проект архитектора К.А. Тона (1794 - 1881 гг.) - пятикупольный собор в русско-византийском стиле, сочетающем характерные элементы и формы древнерусской архитектуры с элементами и формами византийского зодчества.

Первоначально храм во имя святого равноапостольного князя Владимира предполагалось возвести на территории Херсонеса, но в 1842 г., по ходатайству адмирала М.П. Лазарева, обеспокоенного недостаточным числом православных храмов в Севастополе, было принято решение о строительстве собора в центре города. Подготовительные работы начались в 1848 г. В 1851 г. умер адмирал М.П. Лазарев, главный командир Черноморского флота, и в память о его заслугах решено было похоронить его в специально сооруженном склепе на месте будущего собора. Он был заложен как культовое учреждение во время Крымской войны - 15 июля 1854 года. Предполагалось построить собор за три года, но к началу обороны Севастополя успели лишь вывести фундамент, соорудить стены и своды подвального этажа с цоколем. Военные действия в Крыму и Севастополе в 1854 - 1855 гг. прервали строительные работы. До высадки неприятеля в Крыму успели построить подвальный этаж, возвышавшийся над землей на 60-90 см. Во время обороны Севастополя в склепе, где покоился прах адмирала М.П. Лазарева, были похоронены его ученики и сподвижники - адмиралы В.А. Корнилов, В.И. Истомин, П.С. Нахимов. Так еще не построенный собор стал усыпальницей адмиралов, памятником обороны Севастополя 1854 - 1855 гг. Строительство собора было продолжено в 1858 году, а полностью завершено в 1888 году. Первоначальный проект был изменен архитектором А.А. Авдеевым (1818 - 1895 гг.) и утвержден в 1862 г. Вместо предполагаемого пяти купольного теперь строилось однокупольное сооружение с сохранением прежних размеров и элементов русско-византийского стиля в архитектуре. Нижний храм был освящен во имя святого Николая 5 октября 1881 г., верхний - во имя святого равноапостольного князя Владимира в 1888 г. Высота собора с крестом - 32,5 м; ширина - около 20 м; длина, с папертью и алтарем, - 29 м. Во Владимирском соборе также захоронены и участники обороны Севастополя, офицеры: И.А. Шестаков, П.А. Карпов, С.Т. Тыртов, П.А. Перелешин, М.И. Дефабр, В.П. Шмидт, И.М. Диков. Командующие Черноморским флотом конца XIX - начала XX вв - С.П. Тыртов, Г.П. Чухнин, М.П. Саблин, а также И.А. Шестаков, управляющий в 80-е гг. XIX в. Морским министерством. До 1917 г. Владимирский собор содержался на средства Морского ведомства. В 1932 г. собор был закрыт и в нем последовательно находились мастерские Авиационно-строительного общества, затем склад политуправления ЧФ.

Во время Великой Отечественной войны Владимирский собор был сильно поврежден. После реставрации, решение о которой было принято в 1966 г., в 1972 г. здание было передано Музею героической обороны и освобождения Севастополя. Экспозиция, которая создается в верхней части здания, расскажет об истории города и самого памятника, о захороненных здесь прославленных адмиралах. 19 сентября 1991 г. состоялось освящение собора. В нем хранятся редчайшие и знаменательные иконы Божьей Матери: "Державная" и "Неупиваемая чаша". На внутренних стенах собора свинцовыми буквами на мраморных плитах написаны фамилии тридцати трех героев первой обороны, удостоенных ордена Святого Георгия.