Según el plan de construcción, el edificio principal del monasterio y su dominante arquitectónica se convirtió en la fría catedral de Vladimir, cuya construcción se llevó a cabo desde 1804 hasta 1819. El 12 de febrero de 1804, el obispo de Nizhni Nóvgorod y Arzamás, Benjamín Krasnopyevkov, emitió un decreto para la construcción de una "iglesia fría en honor a la festividad de la Icono de Vladimir" en la comunidad de Orenburg. La construcción comenzó bajo el padre Pahomiy, continuó con el hieromonje Nafanaíl y se completó bajo la dirección del constructor Irodión.

La catedral, de un solo altar y catedralicia, fue iniciada en 1804 y finalizada en 1819 en honor a la festividad de la Icono de Vladimir. Tiene cinco cúpulas elevadas con un altar semicircular, cubiertas de hierro pintado de color cobre. Las cúpulas están adornadas con cinco cruces de ocho puntas, doradas en 1875. Las paredes de la iglesia están enlucidas por fuera y por dentro, las puertas tienen marcos de hierro y rejas decorativas. En el nivel inferior y en el altar hay 17 ventanas con rejas, en el segundo nivel 15 ventanas sin rejas, y en las cinco cúpulas 40 ventanas de diferentes tamaños. Sobre las ventanas del nivel inferior hay galerías con barandillas de madera. La iglesia, desde la pared oriental del altar hasta las puertas occidentales, tiene una longitud de 13 sazhen, y desde las puertas del norte hasta las del sur, 8 sazhen. El suelo es de hierro fundido, con paneles de madera en las paredes. A la pared occidental se adosa un pórtico sobre columnas de piedra, cubierto de hierro, con escalones de hierro fundido.

El archimandrita Ambrosio Ornatский en su monografía "Historia de la jerarquía rusa" señaló que entre las construcciones del monasterio de Orenburg a principios del siglo XIX, la más notable es el edificio de piedra de la iglesia catedral en nombre de la Madre de Dios de Vladimir, similar a la de Iver en Moscú, así como la iglesia caliente, el campanario y las tiendas de comerciantes en el recinto.

La última vez antes de la revolución, la catedral de Vladimir fue reconsagrada en 1882 después de la aplicación de frescos en las paredes. "El santo antimins de atlas de color azul pálido fue consagrado por el prelado Macario, obispo de Nizhni Nóvgorod y Arzamás, el 4 de marzo de 1882".