Храм возведен в память о крещении в 988 г. в Херсонесе св. равноап. кн. Владимира и в озаменование начала крещения Руси на территории основанного в 1850 г. Херсонесского Свято-Владимирского монастыря.

Проект собора, разработанный академиком Д.И. Гриммом, был утвержден 2 июля 1859 г. 23 августа 1861 г. состоялась торжественная закладка нижнего храма императором Александром II и императрицей Марией Александровной.

Строительство собора продолжалось в течение тридцати лет под руководством тайного советника Губонина и архитектора Арнольда. Внутренняя отделка 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 вел. князь Владимир Александрович.

2 октября 1924 г. собор был закрыт. По литературному описанию, во время Великой Отечественной войны собор был разрушен попавшей в него бомбой, хотя существуют свидетельства, что собор неоднократно пытались взорвать после войны.