Идея увековечения места крещения князя Владимира Святославича возникла в 1825 году и была предложена главнокомандующим Черноморским флотом Алексеем Грейгом. В 1850 году, по инициативе архиепископа Херсонского и Таврического Иннокентия (Борисова), на предполагаемом месте крещения князя Владимира был основан Херсонесский Князь-Владимирский мужской монастырь. В 1858 году император Александр II утвердил указ о строительстве соборного храма в Херсонесе.
Закладка собора состоялась 23 августа 1861 года в присутствии императора Александра II и императрицы Марии Александровны. Автором проекта храма в неовизантийском стиле выступил академик архитектуры Давид Гримм. Строительство продолжалось 30 лет и завершилось в 1891 году.
Собор представляет собой крестово-купольное сооружение с центральным куполом высотой 36 метров. Верхний храм освящён в честь святого равноапостольного князя Владимира, нижний — в честь Рождества Пресвятой Богородицы. В интерьере собора использованы мраморные элементы, мозаичный пол и росписи, выполненные художниками Алексеем Корзухиным, Тимофеем Неффом и другими мастерами.
В 1924 году монастырь был закрыт, а собор передан музею. Во время Великой Отечественной войны здание собора было серьёзно повреждено: в период оккупации немецкие войска использовали его для хранения музейных ценностей, а при отступлении взорвали, что привело к разрушению значительной части сооружения.
Восстановительные работы начались в конце 1990-х годов. Проект реставрации разработал киевский институт «Укрпроектреставрация» под руководством архитектора Евгения Осадчего. В 2002 году началось воссоздание росписей, в котором участвовали художники из Киева, Санкт-Петербурга и Крыма. Освящение главного алтаря восстановленного собора состоялось 3 апреля 2004 года, после чего в храме возобновились богослужения.
