Церковь Владимирской иконы Божией Матери основана в 1746 году в доме комиссара главной дворцовой канцелярии Фёдора Якимова. Он жил на углу Басманной (ныне Колокольной) улицы и Преображенской Полковой (улицы Марата). В 1747 году было построено деревянное здание церкви, куда и перенесли икону.
Первые прихожане храма - жители близлежащих улиц. Изначально здесь жила в основном дворцовая прислуга, а позже этот район стал заселяться городской беднотой, мастеровыми, работным людом. Постепенно деревянная церковь перестала вмещать всех желающих её посетить. Прихожане обратились к императрице Елизавете Петровне с просьбой о постройке нового храма.
В 1756 году Елизавета Петровна разрешила начать собирать средства на строительство каменного храма. Руководил сбором средств отец Иоанн Кириков.
Каменное здание было заложено в 1761 году. К 1769 году был построен первый этаж, церковь которого освящена во имя святого Иоанна Дамаскина. Второй этаж - церковь Владимирской иконы Божией Матери. Церемония освящения храма состоялась в 1783 году.
Построивший собор архитектор неизвестен, скорее всего над зданием работало несколько мастеров. Среди них могли быть Антонио Ринальди, С. И. Чевакинский, Пьетро Трезини, Алексей Квасов.
Иоанн Кириков не дожил до открытия храма. В 1770 году он был убит в собственном доме грабителями. Иоанна Кирикова похоронили в ограде церкви. К столетию Владимирского собора на его могиле был установлен памятник.
Строительство каменного здания Владимирской церкви сопровождалось перепланировкой всего близлежащего пространства, именно тогда появилась Владимирская площадь.
В 1783-1791 годах по проекту Д. Кваренги была построена трёхъярусная колокольня. В 1829-1831 годах по проекту Авраама Мельникова к зданию церкви был пристроен дополнительный объём - трапезная, выходящая на Владимирскую площадь. В 1848-1849 годах по прошению прихожан колокольня была надстроена четвёртым ярусом, автор проекта - Франц Руска. По его же проекту в 1850-1851 годах вокруг храма поставлена ограда, построены две часовни. С 1864 года внутри ограды находился сад, сейчас он сохранён лишь частично.
Церковь Владимирской иконы Божией Матери была одной из самых богатых в Санкт-Петербурге. Кроме самой иконы Владимирской Божией Матери здесь хранятся икона "Нерукотворный Спас", образ Святого Серафима Саровского с частью его мощей.
Прихожанином храма был Фёдор Михайлович Достоевский. Владимирский собор был местом отпевания Арины Родионовны - няни Александра Сергеевича Пушкина. Старостой собора был один из предков Дмитрия Сергеевича Лихачёва.
В 1932 году церковь была закрыта, здание передано Государственной Публичной Библиотеке. Здесь размещалось книгохранилище Академии Наук. Интерьеры первого этажа (церкви святого Иоанна Дамаскина) были уничтожены.
Храм возвращён прихожанам в 1989 году. Этому способствовали усилия Дмитрий Сергеевича Лихачёва и учёного Льва Николаевича Гумилёва. В 1998 году рядом с местом захоронения Иоанна Кирикова установлен мраморный крест. 7 мая 2000 года храм приобрёл статус собора.
Детский хор Владимирского собора известен не только в России, но и за рубежом. При храме работает школа звонарей.
