Двухэтажный каменный храм был заложен в 1761 году на месте прежней деревянной церкви. Автор проекта неизвестен. Три придела в нижнем храме освящены в 1768—1769 годах, а освящение верхнего храма состоялось только в 1781 году. Уже в наше время церковь Владимирской иконы Богоматери была удостоена звания собора.
Храм имеет крестообразный план. Боковые фасады искажены невысокими пристройками, но в целом сохранили первоначальное оформление. Фасад западного двухэтажного притвора возведен в 1831 году в духе позднего классицизма с использованием элементов барокко (архитектор А. И. Мельников). Композиция пятиглавого завершения и, в особенности, форма куполов напоминают проект Преображенского собора в Санкт-Петербурге архитектора П. А. Трезини, что позволяет некоторым исследователям называть его автором проекта Владимирской церкви.
В интерьере верхнего храма частично сохранилась лепнина XVIII века. В 1809—1810 годах здесь был поставлен иконостас Ф. Б. Растрелли из домовой церкви Аничкова дворца. Тогда же прежний иконостас был развернут к алтарю, став оборотной стороной новой алтарной преграды. Оба иконостаса сохранились до наших дней.
Стоящая отдельно четырехъярусная колокольня, восьмигранная в нижних двух ярусах и круглая наверху, относится к эпохе классицизма. Она сооружена в 1783 году по проекту Дж. Кваренги. В 1848 году архитектор Ф. И. Руска увеличил ее высоту на один ярус. По своим художественным достоинствам это одна из лучших колоколен эпохи классицизма в Санкт-Петербурге.