В 1766 году императрица Екатерина II утвердила проект собора, разработанного архитектором А. Ринальди. Собор был закончен к 1789 году (с 1783 г., после пожара, его достраивал архитектор И. Е. Старов) и освящен в память святого Равноапостольного Князя Владимира в честь 800-летия крещения Руси (Крещение Князя Владимира произошло в 988 году в Херсонесе, сейчас это территория современного Севастополя). Храм решён в стиле, переходном от барокко к классицизму. Главный объём собора увенчан мощным пятиглавием, интерьер разделен пилонами на три нефа, стены расчленены пилястрами дорического ордера.
Храм находится в квартале, ограниченном проспектом Добролюбова, Храмовым переулком, улицей Блохина и переулком Талалихина (напротив станции метро «Спортивная»).
В 1926-1927 годах храм был закрыт, а после до самой войны был кафедральным собором Петербурге.
В 1932-2001 годах в храме находилась одна из самых известных православных икон - чудотворная икона Казанской Божией Матери (которая позже была передана в Казанский собор).