Каменный храм был выстроен на месте старой деревянной Владимирской церкви трудами её настоятеля отца Иоанна Кирикова. Он взял на себя сбор пожертвований и привлечение богатых дарителей. К 1760 году он собрал достаточно средств для начала строительства. Закладка каменного храма состоялась 26 августа 1761 года. Церковь построена в 1761 – 1783 годах, по мнению большинства исследователей, по проекту архитектора Пьетро Антонио Трезини.

Его считают одним из инициаторов восстановления пятиглавия при строительстве храмов. Вероятно проект Владимирской церкви был разработан еще в 1745 году, но поскольку тогда средств для каменного строительства было не достаточно, он был отложен "до лучших времен". В 1755 году Пьетро Трезини покинул Петербург и Владимирская церковь строилась уже без него. В 1768 году, через восемь лет после закладки, был выстроен первый этаж, в котором разместилась теплая трехпрестольная церковь. Её центральный престол был освящен 8 ноября 1768 года во имя Святого Иоанна Дамаскина. Боковые престолы были освящены в следующем, 1769 году: южный – во имя священномученика Харалампия освящен 22 февраля, а северный, во имя пророка Илии, – 30 июня. К освящению нижней церкви Императрица Екатерина II пожертвовала богато украшенное напрестольное Евангелие, напечатанное в Москве в 1744 году. Верхняя церковь освящена 9 апреля 1783 г. во имя иконы Владимирской Божией Матери. Отец Иоанн Кириков не дожил до этого радостного события. В 1770 году он был зверски убит в собственном доме грабителями. Храмоздатель был погребен в ограде церкви, на его могиле к столетию храма установлен мраморный памятник, а в 1998 году рядом с ним установлен беломраморный крест.

Возведенная в традициях барокко, церковь красиво декорирована колоннами и пышными наличниками окон. Купола церкви на высоких цилиндрических барабанах великолепны по пропорциям и красоте силуэтов. Основной объем здания в плане – квадрат со срезанными углами. Его композицию усложняют выступы на северной и южной сторонах, украшенные колоннами и башенками. Пятиглавие Владимирской церкви особенно удачно: группа куполов превосходна по своим пропорциям и красоте силуэта. Высокие барабаны словно уносят ввысь изящные луковичные главки. Вертикаль подчеркнута линией превышающего боковые центрального барабана, увенчанного высоким колоколообразным куполом с главкой на высоком фонарике. Боковые – завершены луковичными главками с глубокими перехватами по низу. Поверхности барабанов украшены широко разнесенными парными пилястрами ионического ордера и высокими окнами с полуциркульным завершением.

Небольшие главки помещены над трапезной и алтарной частью. Здание церкви стоит в ряду таких замечательных произведений архитектуры середины XVIII века, как созданный Ф. Растрелли Воскресенский Смольный собор и выстроенный С. И. Чевакинским Николо-Богоявленский Морской собор.

В 1786 – 1791 годах по проекту Д. Кваренги рядом с церковью была сооружена отдельно стоящая колокольня. Она была трехъярусной, массивной, приземистой, высота ее не превышала высоту боковых куполов церкви. Нижние два её яруса представляют восьмерик. Третий ярус, использовавшийся как ярус звона, представляет круглую ротонду, обрамленную парными колоннами ионического ордера. Венчал ее плоский купол на низком барабане. Позже, в 1848 году колокольня была достроена до 4 ярусов по проекту Ф. И. Руски. Новый, четвертый ярус аналогичен третьему. Завершение колокольни высоким куполом с главкой и крестом созвучно оформлению центральной главы церкви. В 1864 г. возле церкви был устроен сквер. В 1888 году колокола были перенесены на верхний ярус.

В XIX веке ансамбль претерпел ряд изменений. В 1811 – 1816 годах к южной стене апсиды была пристроена лестница для входа в алтарь верхней церкви. В 1830 году архитектор А. И. Мельников пристроил к церкви с запада двухэтажный притвор с лестницей в верхний храм, фасад которого представляет собой классический портик со сдвоенными колоннами, поддерживающими фронтон. Массивная пристройка значительно исказила и утяжелила пропорции храма. Ширина пристройки превышает ширину трапезной и своим объемом нарушает восприятие легкой изящной отделки боковых фасадов церкви. Сохраненные от прежнего фасада тонкие шпильки не соответствуют громоздкому портику. Со стороны площади пристройка подавляет и заслоняет композицию храма. Тем самым было нарушено стилистическое единство сооружения. Первоначально купола церкви были окрашены светло-зеленой масляной краской. Во время ремонта 1843 – 1846 годов главы церкви впервые были покрыты позолотой.

Внутреннее архитектурное оформление интерьеров Владимирской церкви хорошо сохранилось до наших дней и представляет большой историко-художественный интерес. Нижняя церковь во имя святого Иоанна Дамаскина, помещавшаяся в первом этаже каменной церкви, более древняя. чем верхняя. План церковного зала идентичен плану действующего ныне верхнего храма. Потолки храма невысокие, сводчатые. За восточными пилонами начиналась солея и находились три (центральный и придельные) резных золоченых иконостаса с живописными иконами. К сожалению, росписи нижней церкви, и её иконостас были погублены в середине XX столетия.

Верхняя церковь более богата по своей архитектурной отделке, и за счет высокого потолка кажется гораздо просторнее. Пространство зала разделено на три придела четырьмя массивными восьимигранными пилонами, обработанными парными пилястрами и филенками. Центральный барабан – световой, он прорезан восемью полуциркульными и четырьмя круглыми окнами. Простенки оформлены тягами и филенками. В восточном простенке помещена скульптурная композиция, изображающая трубящего Ангела. На парусах помещены скульптурные изображения Евангелистов. Боковые барабаны первоначально также были световыми, но около 1900-х годов перекрыты в основаниях пологими фальшсводами. Боковые приделы были устроены уже в середине XIX века, после устройства в верхнем храме калориферного отопления. В 1868 году был освящен северный придел в честь иконы Божией Матери "Всех Скорбящих Радосте", а в 1872 году южный – во имя святых Веры, надежды, Любови и Матери их Софии. Иконостасы в них поздние. Пилоны церкви были украшены образами работы школы Рубенса, картинами итальянской и фламандской школы, появившимися в храме в 1810-е годы. Происхождение их доподлинно неизвестно, но существует предание, что они были привезены из Дрезденской картинной галереи нашими маркитантами, сопровождавшими русскую армию во время заграничного похода 1813 – 1814 годов. Несмотря на годы гонений в церкви сохранились два уникальных иконостаса середины XVIII века – первоначальный, изготовленный для Владимирской церкви, стоящий ныне лицевой стороной к алтарю и позолоченный резной, выполненный в традициях барокко по рисунку Ф. Растрелли в середине XVIII века и прежде находившийся в церкви Аничкова дворца. Главная икона храма была заказана в Москве и представляет список с чудотворной Владимирской иконы Божией Матери, хранившейся в Московском Сретенском монастыре. Она была привезена в Петербург в 1763 – 1764 годах.

Храм был закрыт в 1932 году. Большая часть икон и риз Владимирской церкви были переданы в Эрмитаж и Русский музей. После закрытия церкви, здание занимал антирелигиозный отдел Публичной библиотеки, а после войны – институт "Ленмашучет". Храм постепенно приходил в упадок. Иконостас верхнего храма был зашит досками, чтобы не отвлекать работников излишними красотами, а в алтаре размещены канцелярские столы. Только в 1960 году ее здание было принято под государственную охрану как памятник архитектуры.

В августе 1989 года шестипрестольная церковь была возвращена верующим, став одной из первых, возобновленных после долгих лет запустения. 7 апреля 1990 г. был вновь освящен верхний главный престол в честь Владимирской иконы Божией Матери. В 1992 – 1994 годах на всех главах церкви и колокольне были установлены новые титановые кресты, к 1996 году отреставрированы купола с заменой железной кровли на медную. В 1999 году завершена реставрация и окраска стен верхнего храма. Восстановлено его скульптурное убранство. Архитектором Ю. В. Кирсом восстанавливается растреллиевский иконостас, им же выполены новые иконостасы для боковых приделов верхнего храма, стилизованные под растреллиевское барокко. До восстановления нижнего храма пока ещё очень далеко, но уже сейчас ведется работа по обследованию и подготовке проектных материалов.

Владимирская церковь ныне занимает особое положение в городе. Её настоятелем является правящий архиерей Санкт-Петербургской епархии. Указом Митрополита Санкт-Петербургского и Ладожского от 7 мая 2000 года храму присвоен статус собора.