Храм возведен в память о крещении в 988 г. в Херсонесе святого равноапостольного князя Владимира и в ознаменование начала крещения Руси, на территории основанного в 1850 г. Херсонесского Святовладимирского монастыря. Проект собора, разработанный академиком Д.И. Гриммом, был утвержден 2 июля 1859 года. 23 августа 1861 года состоялась торжественная закладка нижнего храма императором Александром II и императрицей Марией Александровной. Строительство собора продолжалось тридцать лет под руководством тайного советника Губонина и архитектора Арнольда.
Внутренняя отделка была произведена академиками Чагиным и Тихообразовым. Иконы нижнего храма были написаны известными художниками: И.А. Майковым, В.И. Неффом, П.Т. Риссом.

14 августа 1867 г. был заложен верхний храм. В закладке принимал Участие великий князь Владимир Александрович, на следующий день принявший звание ктитора храма.
17 октября 1891 г. владыкой Мартинианом, архиеписопом Таврическим и Симферопольским, освящен главный престол верхнего храма, во имя святого равноапостольного князя Владимира. Южный престол освящен 12 июля 1892 года во имя святого блгв. князя Александра Невского, северный престол освящен во имя святого апостола Андрея Первозванного.

Возведенный из инкерманского камня и отделанный различными породами мрамора, собор стал выдающимся произведением культовой архитектуры. Выдержанный в духе византийского зодчества, он отличается исключительной гармонией объемов, масштабностью масс.

2 октября 1924 года собор был закрыт. По литературному описанию разрушен попавшей в него во время ВОВ бомбой, хотя существуют свидетельства, что собор неоднократно пытались взорвать после войны.
В 1992 году богослужение было возобновлено. 6 января 1994 года храм передан в пользование православной общине.