Свято-Владимирский кафедральный собор в Луганске был заложен 9 апреля 1993 года по благословению архиепископа Луганского и Старобельского Иоанникия. Освящение места строительства совершил митрополит Киевский и всея Украины Владимир (Сабодан) при участии местного духовенства. Для возведения храма был выбран участок на пересечении улиц Херсонской и Станкостроительной, где ранее располагался сквер.
Первоначально на месте строительства был оборудован временный храм в переоборудованном строительном вагончике, где 19 апреля 1992 года состоялась первая Божественная литургия. В 1993 году началось строительство административного здания с храмом в честь святой великомученицы Екатерины, которое было завершено в 1997 году. 7 декабря 1997 года в этом храме состоялось первое богослужение.
Основные строительные работы по возведению собора начались в мае 1995 года с выемки грунта под фундамент. 18 сентября 1996 года началось бетонирование фундаментной плиты, на каркас которой было смонтировано свыше 150 тонн арматуры и уложено 2300 кубических метров бетона. 25 сентября 1996 года в фундамент была заложена памятная капсула с именами участников строительства.
2 июня 1999 года президент Украины Л.Д. Кучма заложил первый кирпич в стену строящегося собора. В сентябре 2003 года были завершены основные строительные работы и воздвигнуты купола. 12 сентября 2003 года состоялось освящение собора митрополитом Киевским и всея Украины Владимиром.
В марте 2006 года завершились отделочные работы, включая укладку гранитных полов и подготовку стен к росписи. 19 марта 2006 года митрополит Киевский и всея Украины Владимир совершил чин великого освящения собора. В дар храму была передана икона Всех святых Киево-Печерских с частицей мощей святого равноапостольного князя Владимира.
Собор построен в русско-византийском стиле по проекту епархиального архитектора А.П. Бондарева. В плане храм имеет форму креста размерами 51×44 метра. Высота сооружения от уровня пола до верха центрального креста составляет 65 метров. Храм увенчан 15 позолоченными куполами.
При соборе с 2005 года действовало Луганское духовное училище, преобразованное в 2010 году в Луганский богословский университет в честь Архистратига Михаила. В 2023 году университет был реорганизован в Межъепархиальный центр подготовки церковных специалистов Луганской епархии.