Нынешнее здание церкви было построено в 1761-1783 годах, средства на его сооружение собирались с 1756 года. Автор проекта Владимирского собора в Санкт-Петербурге неизвестен, среди его возможных создателей называют и Антонио Ринальди, и Алексея Квасова, и Пьетро Трезини.
К 1769 году был сооружён первый этаж, весь храм освятили в 1783 году. Возведение храма сопровождалось перепланировкой окрестности, в результате которой была образована Владимирская площадь. Колокольня была сооружена в 1783-1791 годах по проекту Джакомо Кваренги. В 1829-1831 годах к церкви пристроили трапезную, в 1848-1849 годах колокольню увеличили на один ярус, которых стало четыре.
Прихожанином этой церкви некоторое время был всемирно известный писатель Фёдор Достоевский — буквально напротив расположен его музей, который нужно обязательно посетить. Во Владимирском соборе отпевали няню Александра Пушкина Арину Родионовну, которую поэт обессмертил своими стихами.
Закрытое в 1932 году культовое здание передали Государственной публичной библиотеке. Здесь находилось книгохранилище Академии наук, а интерьеры первого этажа оказались уничтоженными. В 1989 году церковь вернули прихожанам, в 2000 году она получила статус собора. Храм открыт по будням с 9 часов утра до завершения вечерней службы, по выходным — с 7 часов утра.
