Первая деревянная церковь во имя Владимирской иконы Божией Матери была построена в 1745 году в Придворных слободах за Фонтанкой, на территории, отведенной для служащих придворного ведомства. Освящение храма состоялось 25 августа 1747 года архиепископом Феодосием (Янковским). В 1748 году к церкви был пристроен придел во имя преподобного Иоанна Дамаскина.
В 1756 году началась подготовка к строительству каменного храма на месте обветшавшей деревянной церкви. Закладка каменного здания произошла 26 августа 1761 года. Строительство велось предположительно по проекту архитектора Пьетро Антонио Трезини. Нижний теплый храм с тремя престолами был освящен в 1768-1769 годах: главный престол - во имя Иоанна Дамаскина (8 ноября 1768), южный - во имя священномученика Харлампия (22 февраля 1769), северный - во имя пророка Илии (30 июня 1769). Верхний холодный храм освятили 9 апреля 1783 года во имя Владимирской иконы Божией Матери.
В 1783-1791 годах по проекту Джакомо Кваренги была возведена отдельно стоящая трехъярусная колокольня, которую в 1848-1849 годах надстроили четвертым ярусом по проекту Франца Руска. В 1830-1831 годах архитектор Авраам Мельников пристроил к церкви двухэтажный каменный притвор. В 1850-1853 годах Ф. Руска соорудил две часовни и ограду храма.
В 1868 году в верхнем храме устроили северный придел во имя иконы Божией Матери «Всех скорбящих Радость», а в 1872 году - южный придел во имя святых мучениц Веры, Надежды, Любови и матери их Софии. В 1883-1885 годах архитектор Александр Гольм выполнил боковые пристройки с лестницами.
В 1932 году храм был закрыт советскими властями. В здании размещались книжные фонды Государственной публичной библиотеки, затем трикотажное производство. В августе 1989 года храм возвращен Русской православной церкви. Освящение после реставрации состоялось 7 апреля 1990 года. В 2000 году храму присвоен статус собора.
Архитектурный комплекс представляет собой памятник переходного стиля от барокко к классицизму. В верхнем храме сохранился иконостас середины XVIII века, перенесенный в 1808 году из церкви Аничкова дворца. Иконостас выполнен предположительно по рисунку Франческо Растрелли.