Вскоре после начала строительства Санкт-Петербурга в болотистой местности на берегу Малой Невы, в простонародье называемой Мокрушей, была установлена маленькая деревянная церквушка Святого Николая. В 1713 году на её месте возвели мазанковый храм, освящённый через шесть лет, причём на церемонии освящения присутствовал сам император Пётр I. Новая церковь была значительно больше существующих и получила статус собора.

В начале XVIII века церковь уже нуждалась в восстановлении, и по приказу Анны Иоанновны архитектор М. Земцов приступил к строительству каменного храма. Возведение церкви затянулось на тридцать лет. Изначально предполагалось, что церковное здание будет одноглавым, однако впоследствии проект изменили, и построили пятиглавую, как и велит древнерусский обычай, церковь.

Когда строительные работы были почти завершены, крупный пожар значительно повредил новое строение. В итоге храм был закончен в год 800-летия крещения Руси и освящён в честь князя Владимира. В 1845 году император Николай I издал указ, согласно которому Князь-Владимирский собор стал храмом кавалеров учреждённого Екатериной II ордена святого Владимира. Знак Ордена был помещён над центральным входом в собор.

Князь-Владимирский собор поражает своей красотой и строгостью. По стилю здание относится к эпохе перехода от барокко к классицизму. Внутренняя отделка храма весьма сдержанна, с практически полным отсутствием росписи. Единственным украшением храма являются изображения четырёх Евангелистов, предположительно кисти К. Брюллова. Также стены украшены пилястрами и овальными окнами.

До 1917 года в Князь-Владимирском соборе располагался приют для сирот и общество благотворительности. В 1926 году в храме прекратились богослужения, однако в следующем году вновь возобновились. После революции в храм свозились иконы из закрывающихся церквей. В 1935 году сюда доставили копию иконы Успения Божией Матери — святыни Киево-Печёрской лавры. В 1940 году в Князь-Владимирский перевезли Казанскую икону Божией Матери, в 2001 году возвращённую на своё исконное место — в Казанский собор. В годы Великой Отечественной войны и блокады Ленинграда в соборе проводились службы, на которые приходили многие ленинградцы. Через год после окончания войны был восстановлен колокольный звон, большой колокол отливался в Финляндии.

В 2015 году в соборе отреставрировали крышу, купола фасады собора. Обновление приурочили к 1000-летию со дня кончины князя Владимира. Во время реставрации впервые с постройки храма отреставрировали кресты собора.