Храм возведен в память о крещении в 988 г. в Херсонесе святого равноаппостольного князя Владимира и в озаменование начала крещения Руси, на территории основанного в 1850 г. Херсонесского Свято-Владимирского монастыря. Расположен на мысе св. Владимира на территории национального заповедника «Херсонес Таврический».
          Накануне Крымской войны здесь была построена маленькая церковь во имя св. Владимира и два дома для монахов, разрушенные в дни первой обороны Севастополя. После ухода союзных войск монастырь возобновил свою жизнь и развернул активное строительство. В 1857 году была освящена восстановленная деревянная церковь простоявшая недолго.
          Проект собора, разработанный академиком Д.И. Гриммом, был утвержден 2 июля 1859 г. 23 августа 1861 г. состоялась торжественная закладка нижнего храма императором Александром II и императрицей Марией Александровной. Строительство собора продолжалось в течение тридцати лет под руководством тайного советника Губонина и архитектора Арнольда. Внутренняя отделка произведена академиками Чагиным и Тихообразовым. Иконы нижнего храма были написаны известными художниками: И. А. Майковым, В. И. Неффом, П.Т. Риссом.
          Крестовокупольный храм был построен в формах византийского зодчества. Его размеры в плане — 32,7 х 41,6 м, высота с крестом - 34,6 м. В западной части устроен притвор, внутри собор разделен на два яруса. В нижнем находились руины древней базилики и церковь св. Богородицы, в верхнем - церкви Владимира и Александра Невского. Ярусы соединены широкими каменными лестницами. Композиция северного и южного фасадов отмечаются симметрией. На западном — главный вход размещен в среднем трехгранном ризалите, на восточном - выступают три трехгранные апсиды.
          В апреле 1881 года на этом месте освятили каменную церковь Семи священомучеников Херсонесских. После неоднократных перестроек храм сохранился до наших дней (здание лапидария). Представляет вытянутое в длину сооружение с апсидой на трехступенчатом цоколе. В 1861 — 1863 годах построено монументальное здание настоятельского корпуса, повторявшего формы средневековых христианских базилик (в настоящее время средневековый отдел музея).
          В 1860 — 1880-е годы были построены трапезная, монастырская гостиница, хозяйственные здания и постройки для монастырской братии, штат которой в количестве 22 чел. был утвержден Синодом в 1881 году. Монастырские постройки были бессистемно разбросаны и не представляли единого архитектурного ансамбля, за исключением основных зданий.
          14 августа 1867 г. был заложен верхний храм. В закладке принимал участие великий князь Владимир Александрович, на следующий день принявший звание ктитора храма. 17 октября 1891 г. владыкой Мартинианом, архиепископом Таврическим и Симферопольским, освящен главный престол верхнего храма, во имя святого равноаппостольного князя Владимира.
          В 1888 году к 900-летию крещения Руси была освящена нижняя церковь, в 1891 году — освящен верхний храм во имя св. Владимира, а в 1892 — церковь во имя св. Александра Невского.
          В 1914 — 1918 годах построена новая монастырская трапезная по проекту эконома монастыря А. Мелашко (в настоящее время античный зал музея). Здание двухэтажное. Из-за большого перепада рельефа с севера нижняя часть здания заглублена в приямок.
          В 1906 году число монахов и послушников увеличилось до 170 чел. Особое внимание к Херсонесскому монастырю подчеркивалось частыми его посещениями членами императорской фамилии. У монастыря было около 5000 десятин земли, лесная дача и два дома в Севастополе. В 1916 году ежегодный доход его составлял около 100000 руб.
          В 1924 г. Херсонесский монастырь был закрыт по решению органов советской власти. В его зданиях разместились воинская часть и Дом инвалидов, а в 1925 году его помещения были переданы Херсонесскому историко-археологическому музею. В дни обороны Севастополя 1941 — 1942 годов здание собора св. Владимира сильно пострадало.
          В 1992 г. богослужение было возобновлено. 6 января 1994 г храм передан в пользование православной общине. В настоящее время ведутся реставрационные работы...