Идея о создании на территории городища Херсонес храма в память крещения на этом месте князя Владимира принадлежала еще архиепископу Иннокентию (Борисову). В 1825 году главнокомандующий Черноморским флотом А. С. Грейг подал императору Александру I докладную записку о сооружении храма в византийском стиле и богадельни. Желающие сооружать храм специалисты занялись поиском точного места крещения князя Владимира на Херсонесе. Чтобы определить, где же крестился князь Владимир, в Херсонесе в 1827 году мичман Н. Крузе начал проводить первые археологические раскопки. Деньги на строительство церкви собирали по подписке. В 1836 году Император Николай I, уступив просьбе адмирала М. П. Лазарева, принял решение о строительстве Владимирского собора в Севастополе. Площадь для возведения собора предложил граф А. С. Уваров, который производил раскопки и обнаружил на месте бывшей главной площади города древнюю базилику. По его мнению, она и была тем самым храмом Рождества Божией Матери, в котором в 988 году крестился Владимир.
23 августа 1859 года состоялась торжественная закладка нового собора. Тогда Император Александр II и Императрица Мария Александровна пожертвовали богатый серебряный с позолотой оклад, украшенный драгоценными камнями, к чудотворной иконе Корсунской Божией Матери и деньги на медный колокол, позже установленный в соборе.
Стены собора возводили вокруг остатков древнего храма. Возведение завершили в 1877 году. Он стал настоящим украшением святого для православных места. Собор был возведен двухэтажным, в византийском стиле. Нижняя часть храма облицована плитами светло-серого гаспринского известняка. Средняя — украшена четырехконечными крестами и колоннами из каррарского мрамора. Пол выложен мозаикой из белых, красных, желтых, черных кубиков, таких же, какие использовали в мозаичных узорах древнего Херсонеса. Верхний храм украшен работами А. И. Корзухина «Тайная вечеря», «Крещение Господне», «Святые равноапостольные Кирилл и Мефодий» и еще 72 иконами.
Последнюю службу во Владимирском соборе в 1926 году в престольный праздник. Отныне собор святого Владимира стал историческим и архитектурным памятником и подвергался разрушениям. В 1992 году Владимирский собор вновь передали Церкви, и в 2002 году в соборе прошла первая Пасхальная служба.
