Die Entscheidung zum Bau der Kathedrale in Astrachan wurde am 8. Juni 1888 unter dem Vorsitz von W. M. Laskarewskij vom Stadtrat getroffen. Der Tempel sollte zum 900. Jahrestag der Taufe der Rus als Denkmal für dieses Ereignis errichtet werden. Für den Bau wurde das sechste Grundstück der Stadt ausgewählt, wo etwa 11.000 orthodoxe Christen lebten. Eine Kommission, bestehend aus Mitgliedern des Stadtrats, wählte einen Standort am Ufer des Zatons, im Zentrum des Grundstücks, auf einer Brachfläche. Der Ort wurde auch wegen seiner Lage an der Grenze zwischen russischen und tatarischen Siedlungen gewählt, was es dem Tempel ermöglichte, missionarische Funktionen zu erfüllen, indem er tatarische Muslime zum Christentum einlud und sie mit orthodoxen Traditionen vertraut machte.

Das Projekt der Petersburger Ingenieure W. A. Kossjakow und N. E. Ikawitz wurde am 10. September 1890 als am geeignetsten anerkannt. Obwohl der Bau im Jahr des 900. Jahrestages der Taufe der Rus beginnen sollte, begannen die Arbeiten aufgrund langsamer Spendenaktionen, der Missernte von 1891 und der Choleraepidemie von 1892 erst 1895.

Der Bau begann tatsächlich am 5. März 1895, als ein Gottesdienst abgehalten wurde. Der Standort für die Kathedrale wurde mit Eichenpfählen verstärkt, und vier Monate später begann der Fundamentbau. Am 18. Juni 1895 hielt Bischof Mitrophan Niewski einen Gottesdienst zur Grundsteinlegung, in den eine Gedenktafel mit einer Beschreibung der Baugründe eingelegt wurde.

Der Stadtarchitekt Korzhinski überwachte die Arbeiten, die sieben Jahre andauerten. Bis 1902 waren die Hauptarbeiten abgeschlossen, und die Kommission beschloss, die Weihe des Tempels mit dem 300. Jahrestag der Astrachaner Diözese zu verbinden.

Nach der Revolution von 1917 wurde der Tempel beschädigt. 1919 befand er sich im Zentrum der Kampfhandlungen. 1923 stand die Kirche des heiligen Wladimir kurz davor, an die Erneuerer zu übergehen. Der Priester Vater Ioann Welikanow begann, Gottesdienste nach dem neuen Stil abzuhalten, doch die Gläubigen ließen ihn nicht in die Kirche, und er kehrte zur Russischen Orthodoxen Kirche zurück.

Im März 1924 machte Erzbischof Faddej Uspenskij die Kirche zu seiner Kathedrale, da andere Kirchen unter der Kontrolle der Erneuerer standen. Die Kirche blieb bis 1936 Kathedrale, als sie von den Erneuerern besetzt wurde, und 1939 von den Behörden geschlossen und als Lager genutzt wurde. 1967 wurde sie in einen Busbahnhof umgebaut, wobei alle Bilder der Heiligen übermalt wurden.

Am 29. Januar 1998 beschloss der Leiter der Verwaltung der Astrachaner Region, Anatolij Petrowitsch Guschwin, eine Kommission zur Wiederherstellung der Kirche des heiligen Wladimir zu gründen, deren Vorsitzender Guschwin selbst wurde. Am 27. Juli 1999 wurde die Kirche an die Russische Orthodoxe Kirche zurückgegeben, und am 28. Juli 2001 weihte Bischof Jona Karpuchin die neuen Glocken.