Владимирский собор построили в честь крещения князя Владимира. Храм должен был собой олицетворять начало крещения Руси. Проект собора - архитектора Давида Гримма, с участием М. Ю. Арнольда. Собор планировали сделать в византийском стиле.

В 1859 году в собор передана из Санкт-Петербурга в виде Евангелия часть мощей князя Владимира. Мощи, как одну из самых ценных реликвий собора, поместили в Нижнем храме. В алтаре же Верхнего храма поместили список с чудотворной иконой Божьей Матери, которую по легенде из Херсонеса перенёс князь Владимир. Всего в соборе насчитывалось 115 мощей святых.

В 1861 году в присутствии императора Александр Второго и императрицы Марии Александровны был торжественно заложен Нижнего храма собора. А через шесть лет было заложено и основание Верхнего храма. Росписи и образы для центрального иконостаса были выполнены А. Корзухиным, И. Майковым и Е. Сорокиным, а также произведения живописи художников Т. Нефа и П. Рисса. Итальянские мастера трудились над работами, сделанными из мрамора. Всего времени на возведение Владимирского собора ушли больше 30 лет.

17 октября 1891 года освятил главный престол Верхнего храма во имя князя Владимира владыка Мартиниан. В 1892 году был освящен правый или Южный престол во имя князя Александра Невского. Левый или Северный престол был освящен во имя апостола Андрея Первозванного.

В 1924 году собор закрыли, а в период ВОВ он был практически полностью разрушен.

Как добраться до Херсонеса с автостанций «Крымавтотранс»: в автовокзала «Севастополь» ходят автобусы с автовокзалов«Ялта», «Симферополь», «Керчь»; автостанций «Курортная», «Аэропорт»(Симферополь), «Мисхор», «Судак», «Нижнегорский», «Советский», «Армянск», «Джанкой»,«Феодосия», «Красноперекопск», «Щёлкино», «Гурзуф», «Бахчисарай», «Песчаное», а также с автовокзалов материковой части страны «Краснодар», «Ростов-на-Дону», «Новороссийск», «Сочи», «Пятигорск», «Волгоград» и «Москва». От автовокзала на городском маршруте №107 и №22 до Херсонеса 7,5 километров.