Первый этап строительства каменного храма начался в 1761 году при императрице Елизавете Петровне и до 1769 года уже при Екатерине II. В 1769 году была готова нижняя церковь. Историки расходятся во мнении об первом архитекторе собора. Но с большой долей вероятности можно утверждать что им являлся Бартоломео Растрелли, живший неподалеку от Торговой площади (прошлое название площади) на Невском пр.46. Бартоломео Растрелли пользовался популярностью и имел много заказов в этот период. И главное, Владимирский собор очень похож на Андреевскую церковь в Киеве, которую построили по проекту Растрелли. Следующим строительным этапом было строительство верхней церкви, закончившееся в 1783 году. Возведение же в 1791 году высокой двухярусной колокольни было по проекту знаменитого архитектора Джакомо Кваренги. Третьим этапом строительства было возведение в 1830-1831 г.г. архитектором, ректором Императорской академии Художеств Авраамом Мельниковым парадного двухэтажного притвора, выходящего прямо на площадь. На четвертом этапе строительства, в 1848 году знаменитый архитектор Франц Иванович Руска прибавил к колокольне еще один ярус, из-за чего она стала впечатляюще высокой! Также Руска соорудил часовни с двух сторон и сделал изящную ограду. И на заключительном этапе строительства в 1883-1885 г.г. архитектором Александром Гольмом были сделаны боковые пристройки.
Икона Божией Матери попала в Россию в начале XII века из Византии. Ее создателем считается евангелист Лука, который запечатлел картину, увиденную за обеденным столом. Мария со своим мужем и маленьким Иисусом Христом принимали трапезу. Заботливые руки матери нежно обнимали сына, который с преданностью прижимался к родительнице. На лице Марии видна скорбь. Если посмотреть на оборотную сторону, можно увидеть картину, на которой изображены престол и орудие страстей. Другой особенностью является запечатленная пяточка младенца на лицевой стороне. Позже были установлены престолы в честь Божией Матери всех скорбящих, а также мучениц Веры, Надежды, Любови и матери их Софии. Всего церковь имеет 6 престолов. Еще одной святыней собора является икона «Нерукотворный спас» с изображением Христа Спасителя. Многочисленные легенды гласят о том, что икона способна придать сил для преодоления трудностей, помочь в борьбе с недугами и дать подсказку для решения кажущихся нерешаемых проблем.
60 лет собор Владимирской иконы Божией Матери не имел возможности принимать прихожан и проводить службы. Но в 1990 году благодаря Льву Гумилеву и Дмитрию Лихачеву он вновь стал собственностью ленинградской Епархии. С тех пор в качестве восстановительных работ были установлены 8 позолоченных крестов, покрыты медью купола, осуществилась реставрация верхнего храма и фасадов часовен. В 2000 году церковь получила официальный статус собора. Основной гордостью храма является иконостас верхнего престола, воздвигнутый во имя Владимирской иконы Божией Матери, и который входит в 10 уникальных произведений церковного искусства России. Вокруг образа Девы Марии ходят многочисленные легенды о ее помощи во время сражений с иностранными захватчиками. Говорят о том, что времена правления Юрия Долгорукова, к нему явилась мать Иисуса Христа. Она велела отвезти икону в город Владимир и построить для нее церковь. Так икона получила звание Владимирской. На территории Владимирского собора есть воскресная школа и школа звонарей, также имеется церковная библиотека.
Храм расположен на 2 уровнях, верхний — торжественный, нижний — камерный. На закате своего жизненного пути, частым посетителем церкви был Федор Михайлович Достоевский, который проживал здесь же на Кузнечном пер.5. Сюда приходили Антон Дельвиг, живший через дорогу от храма, композитор Николай Римский-Корсаков, проживавший на здесь же на Загородном пр.28, Александр Куприн, проживавший у «Пяти углов» на Разъезжей ул., Лев Гумилев, проживавший на Коломенской ул. и другие. Храм также знаменит тем, что здесь в 1828 году отпевали наставницу и няню Пушкина-Арину Родионовну. Рядом с храмом, на Свечном пер.5, снимали квартиру Надежда Осиповна и Сергей Львович, родители Александра Сергеевича Пушкина, который останавливался у них в период 1826 года по возвращении из ссылки в Михайловском, куда он был отправлен за вольнодумство и склонность к атеизму.