Самый большой собор в Крыму находится на территории национального заповедника «Херсонес Таврический». Инициатива его строительства принадлежала командующему Черноморским флотом и портов вице-адмиралу А.С. Грейгу, который еще в 1825 году подал Александру I докладную записку о сооружении в Херсонесе храма - в память крещения Св. Равноапостольного князя Владимира, но смерть императора помешала осуществить благой замысел. Только в 1829 году начинается сбор средств на сооружение не храма, а памятника-обелиска, утвержденного Николаем I, который так и не построили. Позже принимается решение о сооружении Владимирского собора на Центральном холме в Севастополе. Только после Крымской войны, в феврале 1858 года, было получено Высочайшее разрешение на строительство храма в Херсонесе. 2 июля 1859 года император утвердил проект храма академика архитектуры Д.И. Гримма. В том же году строительный комитет под председательством генерал-майора З.А. Аркаса приступил к решению организационных вопросов строительства. 23 августа 1861 года состоялась церемония закладки собора над руинами средневековой церкви, но строительство его растянулось на долгих тридцать лет.
Однокупольный двухэтажный собор в византийском стиле высотой 36 метров поражал своей грандиозностью, величием и красотой. Купол, увенчанный золоченым крестом, был покрыт цинковой черепицей. При сооружении собора использовали каррарский и гаспринский мрамор, балаклавский мраморовид-ный известняк, крымбальский камень, для полов - многоцветную мозаику.
Собор имел пять престолов: в нижнем храме - во имя Рождества Богородицы и преподобного Мартиниана, в верхнем - главный, во имя Св. Равноапостольного князя Владимира, слева - во имя Св. князя Александра Невского, справа - Св. Апостола Андрея Первозванного. Мраморный иконостас главного храма по проекту Н.М. Чагина выполнили в Карраре итальянские мастера И. Сеппи и братья Баскарини. На правой его стороне находился позолоченный деревянный киот тонкой резьбы, убранный восемью образами в два яруса и увенчанный ажурным куполом с крестом; перед ним стоял мраморный постамент для возложения святых мощей кн. Владимира с надписью: «О Преблаженне и Всехвальне княже Владимире, мир и здравие и твердую державу моли подати Императору нашему и велию милость» (Севастопольское благочиние. Севастополь, 1997, - с. 12).
В храме имелись иконы, написанные известными художниками И.А. Майковым, В.И. Неффом, П.Т. Рис-сом, отреставрированные живописцем И.Т. Молокиным, росписи и картины академика живописи А.И. Корзухина.
В нижнем храме установили две плиты с текстами, напоминающими, в каком святом месте он построен, по чьему повелению и кому прихожане обязаны его сооружению. Плиты эти с памятными надписями дошли до наших дней. В соборе, помимо мощей Св. Равноапостольного князя Владимира, находились мощи 115 святых. Главный престол нижнего храма во имя Рождества Богородицы был освящен 13 июля 1888 года, главный престол верхнего храма - 17 октября 1891 года, но строительство собора продолжалось еще до 1894 года.
Второго октября1924 года собор закрыли, последнюю службу провели в престольный праздник в 1926 году.
В годы второй мировой, в период оккупации города, по одной из версий, гитлеровцы заминировали и взорвали собор. В 1961 году изуродованный варварами храм, потеряв веру в его восстановление, едва было не снесли. Но Бог не допустил. В 1992 году в нижнем восстановленном храме возобновили службу, а в 1999 году началась долгожданная реставрация святыни.
28 июля 2001 года, в день памяти Св. Равноапостольного князя Владимира, состоялась церемония воздвижения и освящения креста, которую произвел митрополит Киевский и Всея Украины блаженнейший Владимир с участием митрополита Симферопольского и Крымского Лазаря, а также митрополита Одесского и Измаильского Агафангела. В этот день на священную землю Херсонеса прибыли президенты Украины Л.Д. Кучма и Российской Федерации В.В. Путин.
Реставрационно-восстановительные работы продолжаются.