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.