В начале XIX века, после победы России в Отечественной войне 1812 года, в Сергаче возникла необходимость строительства нового храма, который бы увековечил память о погибших и отметил победу русского народа. К тому времени в городе существовали две церкви: деревянная церковь Владимирской иконы Божией Матери с приделом во имя преподобного Сергия Радонежского, построенная в 1752 году, и Ильинская церковь, возведенная в 1737 году. Обе постройки к началу XIX века обветшали и требовали замены.
В 1816 году Комиссия духовных училищ выделила 37 024 рубля 50 копеек на строительство нового каменного собора. Строительство началось в 1817 году и велось под руководством местных ктиторов и подрядчиков. В 1819 году основные строительные работы были завершены, о чем было доложено епископу Нижегородскому Моисею. В 1820 году были освящены два придела: правый — во имя пророка Божия Илии, левый — во имя преподобного Сергия Радонежского. Главный алтарь, посвященный Владимирской иконе Божией Матери, был освящен в 1828 году.
Архитектурно собор представляет собой монументальное сооружение, выполненное в стиле классицизма, характерном для первой половины XIX века. Здание увенчано большим центральным куполом, который ранее был дополнен величественной колокольней, разрушенной в советский период. Собор расположен на возвышенности, что делает его доминирующим элементом городской панорамы.
В 1930-х годах, в период антирелигиозной политики советского государства, собор был закрыт, а его здание использовалось под швейную фабрику. Колокольня была разрушена, а колокола переплавлены. В 1993 году здание собора было возвращено Нижегородской епархии, и с 1994 года в нем возобновились регулярные богослужения.
В последующие годы проводились работы по восстановлению и реставрации собора. В 2003 году была отреставрирована центральная часть храма, обновлены алтарная часть и иконостас. В 2005 году завершены работы по ремонту купольной части: заменена кровля, установлены новая главка и крест. В 2006 году начался капитальный ремонт фасада и роспись внутреннего убранства.
