Храм возведен в память о крещении в 988 г. в Херсонесе Святого Равноапостольного Князя Владимира и в ознаменование начала крещения Руси, на территории основанного в 1850 г. Херсонесского Святовладимирского монастыря. 23 августа 1861 года состоялась торжественная закладка нижнего храма императором Александром 2 и императрицей Марией Александровной. Строительство собора продолжалось в течении тридцати лет. Иконы нижнего храма были написаны известными художниками: И.А. Майковым, В.И. Неффом, П.Т. Риссом. 14 августа 1867 г. был заложен верхний храм. В закладке принимал Участие вел. князь Владимир Александрович. 17 октября 1891 г. владыкой Мартинианом, архиеписопом Таврическим и Симферопольским, освящен главный престол верхнего храма, во имя святого равноапостольного князя Владимира. Южный престол освящен 12 июля 1892 года во имя святого блгв. князя Александра Невского, северный престол освящен во имя свяого апостола Андрея Первозванного. 2 октября 1924 года собор был закрыт. По литературному описанию разрушен попавшей в него во время ВОВ бомбой, хотя существуют свидетельства, что собор неоднократно пытались взорвать после войны.