В 1740-1742 годах на этом месте строили каменный храм, но работы были заморожены после воцарения Елизаветы Петровны. Новый проект архитектор Антонио Ринальди разработал в 1765 году, перестройка осуществлялась в 1766-1773 годах.
В 1783 году прерванное строительство возобновилось под руководством Ивана Старова, изменившего фасады храма. Новую церковь освятили 1 октября 1789 года в честь святого князя Владимира, крестителя Руси. В 1823 году иконостас переделали в ампирном стиле, в самом храме установили хоры. В 1872-1873 годах по проекту архитектора Н.Ф. Брюллова собор окружила ограда с двумя часовнями.
В 1922-1923 годах Князь-Владимирская церковь в Санкт-Петербурге принадлежала обновленцам, потом, до 1926 года — группе «Живая церковь». После «легализации» Московской Патриархии храм заново освятили и капитально отремонтировали на пожертвования прихожан. К 1934 году он был единственной действующей церковью Петроградской стороны, в 1938-1941 годах — кафедральным собором и резиденцией митрополита Ленинградского Алексия (Симанского).
В 1941-1945 годах прихожане и священнослужители Князь-Владимирского собора собрали на военные нужды более 3,5 миллионов рублей. В октябре 1943 года всех его священников удостоили медалей «За оборону Ленинграда». В 1946 году был восстановлен колокольный звон церкви. В 1989 году была выпущена в обращение юбилейная медаль в честь двухсотлетия храма. Церковь находится напротив станции метро «Спортивная».
