В  1852 году митрополит Филарет высказал идею построить в Киеве собор, посвященный 900-летию Крещения Руси. Эта мысль очень понравилась императору Николаю I, одобрившему проект.
По всей стране начался сбор пожертвований на строительство храма, и уже к сентябрю 1859 года было собрано около 100 тысяч рублей. Киево-Печерская Лавра пожертвовала на строительство 1 миллион кирпичей, произведенных на собственном кирпичном заводе. 
Первоначальный проект собора принадлежал петербургскому архитектору И. В. Штрому и киевскому епархиальному архитектору П. И. Спарро. Позднее этот проект основательно переработал архитектор А. В. Беретти.
Владимирский собор был посвящен крестителю Руси - святому князю Владимиру. Внешний и внутренний облик храма задуман архитекторами в старовизантийском стиле, какими строили древнерусские храмы во времена Владимира Святого и Ярослава Мудрого.

Владимирский собор  был заложен в 1862 году, но его строительство, осложненное техническими трудностями, растянулось почти на тридцать лет - с 1862 по 1896 год.
Торжественное освящение собора состоялось 20 августа 1896 года в присутствии императора Николая II и императрицы Александры Федоровны. 
Владимирский собор представляет собой традиционный для русского зодчества шестистолпный храм с тремя апсидами, увенчанный семью куполами.
Длина здания составляет 55 метров, ширина - 30, а высота вместе с крестом - 49 метров.
Фасад здания украшают мозаики работы художника А. Н. Фролова. На массивных бронзовых дверях главного портала можно видеть литые бронзовые рельефы с изображениями княгини Ольги и князя Владимира Святого.

Владимирский собор в Киеве - это блестящий образец синтеза искусства и архитектуры. Славу памятника выдающегося культурного значения Владимирский собор получил в основном благодаря своим уникальным росписям.
Собор расписывала группа выдающихся художников: русские - В. М. Васнецов, М. А. Врубель, М. В. Нестеров, П. А. Сведомский и В. А. Котарбиньский под общим наблюдением профессора А. В. Прахова.
    Прахов является и автором проектов ряда деталей интерьера, в частности - бронзовых входных дверей. В украшении интерьера собора мозаиками принимали участие и мастера из Венеции. 
    Общая тема живописи собора - "Дело спасения нашего". Об этом повествуют как масштабные композиции на евангельские темы, так и символично изложенная история русской церкви: ее символизируют тридцать фигур русских святых: мучеников, святителей, князей, святых жен - вся история русского православия, все порывы духа, ищущего подвига и правды...

Главная роль в создании храмовой росписи принадлежит В. М. Васнецову. Он исполнил 15 композиций и 30 отдельных фигур.
Васнецов расписывал главный неф собора, в котором, кроме евангельских сюжетов, большое место занимают масштабные исторические композиции: "Крещение князя Владимира" и "Крещение киевлян", а также портреты канонизированных русских князей: Александра Невского, Андрея Боголюбского, княгини Ольги.
Кисти Васнецова принадлежит центральная композиция в алтаре храма - Богоматерь с Младенцем.
Для того, кто впервые входит в собор, самым сильным впечатлением становится образ Богоматери. В мерцающем золотом полусвете, на легких облаках, холодно и нежно освещенных зарей, Богоматерь легко и неторопливо идет навстречу зрителям: Царица Небесная несет грешному миру своего Сына... 
Традиционный образ Богоматери получил под кистью Васнецова необыкновенно оригинальную и своеобразную трактовку. Этот образ называли "Васнецовской Богоматерью". 
Ее большие, полные печали и любви карие глаза ласково смотрят на зрителя. Необыкновенно прекрасно ее бледное, озаренное внутренним светом лицо. Образ Богоматери наполнен любовью и человеческой красотой.

Иконостас собора был сделан из дымчато-серого каррарского мрамора. Разноцветные мраморы из Италии, Франции, Бельгии, России и Испании украшают интерьер храма.

Из мрамора выполнен и мозаичный пол собора. Богатую серебряную утварь для Владимирского собора делала известная ювелирная фирма Хлебникова.

Владимирский собор сразу привлек внимание современников. Его художественные достоинства горячо обсуждались, о них много спорили, но то, что в этом сооружении нашел свое яркое и мощное воплощение стремительный взлет русского искусства конца XIX века, никто не оспаривал.
Современники единодушно назвали Владимирский собор в Киеве "первым вдохновенным произведением русского религиозного искусства".