Строительство собора было начато в 1862-1863 (?) году, а завершено только в середине 90-ых. На торжественном освящении собора, состоявшемся 20 августа 1896 года, присутствовал российский император Николай II с супругой.
Росписи в соборе выполнены В. Васнецовым, М. Врубелем, М. Нестеровым и др. Храм возведен к 900-летию Крещения Руси.
После провозглашения независимости Украины и образования Киевской патриархии Украинской православной церкви в 1995 году в Свято-Владимирском храме состоялся собор Украинской православной церкви Киевского патриархата (УПЦ КП), на котором митрополит Филарет (Денисенко) был избран патриархом. Свято-Владимирский собор является кафедральным патриаршим собором Украинской православной церкви Киевского патриархата.
