Храм возведен в память о крещении в 988 году святого равноапостольного князя Владимира. Автор проекта академик Д. И. Гримм. На закладке нижнего храма 23 августа 1861 года присутствовал император Александр 2 с императрицей Марией Александровной. Строительство собора продолжалось в течении тридцати лет. 17 октября 1891 г. владыкой Мартинианом, архиепископом Таврическим и Симферопольским, освящен главный престол верхнего храма, во имя святого равноапостольного князя Владимира. Южный престол освящен во имя святого блгв. князя Александра Невского, северный престол освящен во имя святого апостола Андрея Первозванного. 2 октября 1924 года собор был закрыт Советской властью.
В 1992 году богослужение было возобновлено.
6 января 1994 года храм передан в аренду православной общине. Херсонесский музей-заповедник фактически является собственником всех храмов находящихся на территории Херсонеса. Руководство музея придумало особый пропускной режим для постоянных прихожан собора, по 2 часа утром и 2 часа вечером пропускают бесплатно, остальное время попасть в храм можно только заплатив 25 гривен с человека. Вопрос о полной передаче Православной Церкви всех храмов находящихся на территории заповедника до сих пор не решен, один из храмов, Пресвятой Богородицы попрежнему используется в качестве музея.