Объект Государственного музея героической обороны и освобождения Севастополя, а с 1991 года и действующий храм, расположен в центре Севастополя на Городском холме.
Первым сооружением на месте будущего собора стал склеп, где был похоронен адмирал М.П. Лазарев. Решение о строительстве было принято в 1842 году. Во время Крымской войны в склепе упокоились адмиралы Корнилов, Истомин, Нахимов. Сейчас эти захоронения в нижней церкви собора объединены общим надгробием в виде большого креста из чёрного мрамора.
Нижняя церковь во имя Святого Николая освящена в 1881 году, через семь лет верхняя церковь получила престол в честь кре- стителя Руси князя Владимира. До 1920 года здесь были похоронены ещё девять адмиралов. Богослужение велось до 1932 года, впоследствии в здании собора были мастерские и склады.
Храм серьёзно пострадал в годы Великой Отечественной войны, с 60-х годов велась реставрация.