Володимирський собор у стародавньому Херсонесі — це одна з найвизначніших архітектурних споруд міста Севастополя, вона вражає своєю величчю, незвичайною красою та співмірністю ліній. Свято-Володимирський Херсонеський собор — всеправославна святиня, храм-пам’ятник, що увічнює прийняття християнства князем Володимиром.
Уперше ідея увічнення місця Хрещення рівноапостольного князя Володимира була висловлена 1825 року і належала головнокомандувачу Чорноморського флоту і портів віце-адміралу А. Грейгу. Саме за його ініціативою в Херсонесі 1827 року було проведено археологічні розкопки під керівництвом К. Крузе, які виявили руїни стародавніх християнських храмів, і серед них — залишки хрестоподібної в плані церкви в центрі головної площі міста. На початку 30-х років ХІХ століття історики Ф. Дюбуа де Монпере та М. Мурзакевич припустили, що великий князь прийняв святе Хрещення саме в цій базиліці. Уже 1850 року, за клопотанням святителя Інокентія, архієпископа Херсонського і Таврійського, тут було засновано Свято-Володимирську обитель.
За часів першої оборони Севастополя 1854-1855 рр. монастир зайняли французи. Із церкви вони зробили вогневу позицію й обстрілювали звідси російські війська, які перебували за Карантинною бухтою. До кінця оборони Севастополя монастир і церква лежали в руїнах.
Після Кримської війни Херсонеський монастир відновили, імператор Олександр II наказав щорічно 28 липня здійснювати хресний хід із Севастополя до Херсонеса і дав дозвіл на спорудження соборного храму. Собор призначався для втілення в собі пам’яті про найбільшу подію — Хрещення Русі, а також мав стати символом духовної спадкоємності між Візантією і Росією. Це символ переходу східнослов’янського світу від язичництва до християнства.
Закладка Свято-Володимирського собору відбулася 1861 року в присутності царської сім’ї та самого імператора Олександра II, який заклав перший камінь храму. Олександр II особисто затвердив проект собору на території Херсонеського монастиря.
Автором проекту був академік архітектури Д. І. Грімм. Володимирський собор став першою видатною спорудою, спроектованою Д. І. Гріммом. Ця робота принесла архітектору звання професора і право викладання в академії.
Собор став одним із найбільших храмів Росії. Його висота становила 36 метрів, зовнішній об’єм — 20 500 метрів кубічних, загальна площа приміщень — 1 726 метрів квадратних, діаметр купола — 10,5 метрів, внутрішня висота верхнього храму від підлоги до склепіння купола — 24 метри, висота головного хреста над куполом собору — 2,85 метра. Храм здатний одночасно вмістити до 1 000 парафіян. Стіни собору навіть на рівні другого поверху досягали метрової товщини.
Внутрішнє оздоблення вражало своєю пишністю — колони з цінного виду мармуру, підлоги з мозаїки. Розписували Володимирський собор відомі на той час художники — академік живопису А. І. Корзухін. І. Корзухін, який брав участь в оформленні храму Христа Спасителя в Москві, професор Т. Нефф, М. Майков, І. Малишев. 
Работою керував автор проєкту Фороської церкви А. Чагін. Гроші та кошти на будівництво Свято-Володимирського собору збирали за передплатою всією Росією. Коли термін підписки закінчився, люди зажадали продовжити її. Але все одно через дефіцит коштів спорудження собору затягнулося на три десятиліття.
Правий боковий вівтар собору було освячено 12 липня 1892 р. в ім’я благовірного князя Олександра Невського.
Лівий боковий вівтар собору було освячено в ім’я св. ап. Андрія Первозванного.
У нижньому храмі собору також був правий бічний боковий боковий вівтар в ім’я св. Мартиніана. У цьому боковому вівтарі були поховані архієпископ Мартініан, який помер у 1898 р., і настоятель монастиря преосвященний Інокентій (Солотчин), який помер у 1909 р.
1859 року з Малої домової церкви Зимового палацу в Санкт-Петербурзі до Херсонеса передали в мармуровому ковчезі у вигляді Євангелія частку мощей св. рівноап. князя Володимира. 
Цю святиню після спорудження Володимирського собору помістили в нижньому храмі поряд з історичними руїнами стародавньої базиліки. У вівтарі верхнього храму перебував список чудотворної Корсунської ікони Божої Матері, за переказами, принесеної князем Володимиром із Херсонеса. Загалом до собору було передано мощі 115 святих.
У 1924 р. Херсонеський монастир закрили, а Володимирський собор передали музею.
За часів Великої Вітчизняної війни храм зазнав значних пошкоджень, стіни потріскалися, майже повністю було знищено внутрішнє оздоблення. За наказом німецького оберства Кольба собор було заміновано та підірвано. Вибух був такої сили, що обвалив перекриття між нижнім і верхнім ярусами, обвалив залишки купола. У верхній частині собору розійшлися будівельні шви, зі стін звалилася майже вся штукатурка разом із безцінними розписами. Храм вступав у найтрагічніші десятиліття свого існування.
Собор постраждав настільки сильно, а сам він був таким величезним, що ставити питання про його відновлення в перші повоєнні роки ніхто не наважувався.
Часцько зусиль довелося покласти правлячому архієрею, митрополиту Лазареві, щоб домогтися реставрації цієї великої святині. Питання його відновлення вирішувалися на найвищому державному рівні. Початок реставрації собору поклала родина Президента України 1998 року, коли Людмила Миколаївна Кучма заклала пам’ятну капсулу зі зверненням, підписаним главою держави. Під патронатом Л. Д. Кучми розпочалися реставраційні роботи.
У 1992 р. тут було відновлено богослужіння. У 2002 році у Свято-Володимирському соборі вперше за останні 77 років було звершено великодню службу, відслужену митрополитом Сімферопольським і Кримським Лазарем, на якій були присутні Президент України Л. Д. Кучма і керівництво Автономної Республіки Крим.
3 квітня 2004 року Предстоятель Української Православної Церкви Блаженніший Митрополит Київський і всієї України Володимир у присутності Президента України Л. Д. Кучми звершив чин освячення відновленого Свято-Володимирського собору Херсонеса.