В 1740 году по повелению императрицы Анны Иоанновны на Петербургской стороне у Тучкова буяна начата постройка нового приходского каменного собора по проекту архитектора М.Г.Земцова. Он должен был заменить пришедшую в ветхость деревянную (мазанковую) соборную церковь Успения Пресвятой Богородицы, существовавшую в данном районе с 1719 года. Новый храм возводился рядом со старой церковью, в которой продолжали совершаться богослужения.

С 1742 года достройкой и отделкой храма руководил архитектор П.А.Трезини. В 1744 году строительство было остановлено в связи с прекращением финансирования и нарушением ориентации алтарной части храма в процессе возведения. Собор к этому времени был доведен до куполов. В 1766 году по личному указанию императрицы Екатерины II строительные работы возобновлены на основе разработанного архитектором А.Ринальди в 1765 году нового проекта пятиглавого храма с трехъярусной колокольней. Перестройка здания осуществлялась под руководством инженера А.А.Дьякова. К 1769 году новый собор был вчерне готов и началась его отделка.

В 1772 году в связи с пожаром, уничтожившим старую Успенскую церковь и повредившим строившийся храм, отправление религиозных обрядов было перенесено в недостроенное храмовое здание. Для этого в 1773 году при входе в собор устроен и освящен придел в честь Успения Пресвятой Богородицы. Именным указом императрицы Екатерины II на имя митрополита Новгородского и С.-Петербургского Гавриила от 31 мая 1783 г. достройка собора передавалась в ведение конторы строения Александро-Невского монастыря; его восстановление поручили архитектору И.Е.Старову. В 1785 году Успенский придел переделан в теплый и заново освящен. В 1789 году новый собор окончательно достроен и освящен в честь святого равноапостольного князя Владимира. Основу причта нового собора составили клирики бывшего Успенского храма.

Пятиглавый с 57-метровой колокольней храм построен в переходном стиле от барокко к классицизму. Внутренний интерьер собора разделен пилонами на три нефа. Внутри храма нет росписей, кроме изображения евангелистов. В 1796 году ктитором собора Ф.Д.Ивановым, напротив Успенского придела, при входе в собор заложен теплый придел в честь свт. Николая Чудотворца. 1823–1825 гг. на собранные средства прихожан и пожертвования производился ремонт храма, в ходе которого была перекрыта кровля, заново оштукатурены и окрашены стены, находящиеся при входе приделы соединены арками, устроены хоры и резной иконостас в ампирном стиле. В 1824 году освящен Николаевский придел. В главном храме службы велись только в теплое время года, в боковых приделах – круглогодично.

На основании высочайше утвержденного 22 июля 1845 г. статута ордена св. Владимира храм получил статус кавалерского орденского собора, в котором ежегодно 22 сентября собирались кавалеры ордена для празднования дня учреждения награды. В 1859 году весь храм сделан теплым. С 1864 года ежегодно 1 августа от храма к р. Ждановке совершался крестный ход для водосвятия. В 1866 годах боковые приделы перенесены внутрь собора и поставлены в один ряд с главным, Успенский – с правой стороны, Николаевский – с левой. Заново освящены в 1867 году. В 1872–1873 гг. территорию вокруг собора благоустроили и окружили оградой с двумя часовнями по проекту архитектора Н.Ф.Брюлло. В 1875–1876 гг. вокруг собора разбили сквер по проекту Э.Л.Регеля.

К храму было приписано две каменные часовни: в мае 1867 г. – в честь Казанской иконы Божией Матери на Пеньковом (Тучковом) буяне, построенная в 1856 году на средства местного купечества; в сентябре 1887 – в честь св. благоверного князя Александра Невского на углу Большого пр. у Тучкова моста, возведенная в 1882–1886 гг. на пожертвования прихожан в память императора Александра II по проекту архитектора Н.Н.Ковригина. В 1892 году на Мытнинской наб. по проекту архитектора Ф.Б. Нагеля установили мраморный киот в память спасения царской семьи при крушении поезда на ст. Борки. В 1896 году между Александро-Невской часовней и собором разбит сквер.

В 1806 году протоиереем Князь-Владимирского собора М.Б.Каменским открыто духовное училище для детей священно- и церковнослужителей на 15 пансионеров и 10 приходящих учеников. Располагалось в его собственном доме. В 1811 году учебное заведение переименовано в частный институт с назначением о. Каменского директором, поскольку учащиеся из духовного сословия в нем оказались в меньшинстве.

В 1810–1823 гг. при соборе действовало приходское училище на 125 учащихся, открытое на средства и под надзором ктитора собора Ф.Д.Иванова. В учебном заведении преподавались Закон Божий, русская грамматика и риторика, математика, священная и гражданская история, география, статистика, рисование, латинский, французский, немецкий и шведский языки. Располагалось в домах, выстроенных на земле Князь-Владимирского собора. Закрыто в мае 1823 г. после смерти учредителя. В 1831 году в здании училища открыта временная холерная больница на 25 кроватей для иногородних купцов, торгующим пенькой и льном.

В 1876 году по инициативе настоятеля собора А.А.Светлова при храме открыто приходское благотворительное общество на основании устава, утвержденного министром внутренних дел 26 июня 1875 г. Общество имело целью оказание материальной помощи нуждающимся в приходе Князь-Владимирского собора, устройство и содержание различных благотворительных заведений – приютов, богаделен, больниц и др. Членами общества могли быть лица без различия пола, вероисповедания и сословной принадлежности. Средства общества составлялись из членских взносов, кружечного сбора, пожертвований и др. источников. С 1896 года общество состояло под покровительством великого князя Владимира Александровича, с 1909 – его вдовы великой княгини Марии Павловны. В 1878–1879 гг. на приобретенном для нужд общества участке земли по Александровскому пр., 10 был построен 2-х этажный деревянный дом, в котором разместился совет общества и детский приют для мальчиков и девочек, открытый в 1876 году. Ежегодно в день престольного праздника (15 июля по ст. стилю) по Александровскому пр. к приходскому дому направлялся крестный ход. В 1902–1908 гг. общество содержало церковноприходскую школу для воспитанников приюта.

С февраля 1907 г. при соборе действовал церковно-приходской совет, учрежденный на основании определения Святейшего Синода от 18 ноября 1905 г. и указа С.-Петербургской консистории от 4 февраля 1906 г. В августе 1914 г., после начала Первой мировой войны, при соборе открылось приходское попечительство о семьях лиц, призванных в действующую армию. В январе 1915 г. в приходском доме развернут лазарет на 16 коек «для раненых воинов имени прихожан Князь-Владимирского собора».

Декретом СНК от 23 января 1918 г. «Об отделении церкви от государства и школы от церкви» собор лишен прав юридического лица, его имущество подлежало национализации. Оставался действующим, за исключением периода с 1926 по 1927 гг., когда собор был временно закрыт. Здание собора является памятником архитектуры и охраняется государством.

Высочайшие указы, указы Сената (1796–1797гг.), С.-Петербургской духовной консистории (1803–1853 гг.); предписания благочинного (1803–1811 гг.); документы об устройстве и деятельности духовного училища при соборе (1806; 1828–1842 гг.).

Клировые ведомости (1906; 1908–1914 гг.); ведомости о штатных и заштатных священноцерковнослужителях и членах их семей (1825; 1828 гг.); исповедные росписи (1792; 1794; 1797; 1799; 1800; 1821–1827 гг.); книги брачных обысков и документы к ним (1784–1810; 1805–1837 гг.); паспорта, выданные разным лицам для свободного проживания в Российской Империи (1787–1813; 1818–1822; 1833; 1850 гг.).

Приходо-расходные книги (1809–1869 гг.) и ведомости (1809–1826 гг.); счета, квитанции, расписки и др. оправдательные документы к расходным книгам (1801–1808; 1816–1822 гг.). Переписка по личному составу (1801–1823 гг.), о сборе пожертвований (1812; 1822–1824 гг.), о назначении пособий бедным прихода (1806; 1808 гг.), о приведении к присяге разных лиц (1824 г.).

Журналы регистрации указов С.-Петербургской духовной консистории за 1805–1808; 1825–1844 гг.; книги регистрации входящих документов за 1893–1915 гг.

Имеются копии высочайших указов, указов Сената, Синода, С.-Петербургского духовного правления и духовной консистории, присланные священнику и причту соборной церкви Успения Пресвятой Богородицы на Петербургской стороне для сведения и по текущей деятельности (рукоп., тип. экз.; 1721–1789 гг.).