Решение о строительстве собора в Астрахани было принято Городской Думой 8 июня 1888 года под председательством В. М. Лазаревского. Храм планировалось возвести в честь 900-летия крещения Руси как памятник этому событию. Для строительства выбрали шестой участок города, где проживало около 11 000 православных христиан. Комиссия, состоящая из членов Городской Думы, выбрала место на берегу Затона, в центре участка, на пустыре. Место было выбрано также из-за его расположения на границе русской и татарской слобод, что позволяло храму выполнять миссионерские функции, привлекая татар-мусульман к православию и знакомя их с православными традициями.

Проект петербургских инженеров В. А. Косякова и Н. Э. Икавитца был признан наиболее подходящим 10 сентября 1890 года. Хотя строительство планировалось начать в год 900-летия крещения Руси, из-за медленного сбора пожертвований, неурожая 1891 года и эпидемии холеры в 1892 году, работы начались лишь в 1895 году.

Строительство фактически началось 5 марта 1895 года, когда был отслужен молебен. Место для собора было укреплено дубовыми сваями, а через 4 месяца началась закладка фундамента. 18 июня 1895 года епископ Митрофан Невский отслужил молебен по случаю закладки фундамента, в который была заложена памятная доска с описанием причин строительства.

Городской архитектор Коржинский контролировал работы, которые продолжались 7 лет. К 1902 году основные работы были завершены, и комиссия решила приурочить освящение храма к 300-летию Астраханской епархии.

После революции 1917 года храм пострадал. В 1919 году он оказался в центре боевых действий. В 1923 году храм Святого Владимира чуть не перешёл к обновленцам. Настоятель отец Иоанн Великанов начал проводить службы по новому стилю, но верующие не пускали его в храм, и он вернулся в РПЦ.

В марте 1924 года архиепископ Фаддей Успенский сделал храм своим собором, так как другие храмы были под контролем обновленцев. Храм оставался кафедральным до 1936 года, когда был захвачен обновленцами, а в 1939 году закрыт властями и использовался как склад. В 1967 году его переоборудовали под автовокзал, закрасив все образы святых.

29 января 1998 года глава администрации Астраханской области Анатолий Петрович Гужвин постановил создать комиссию по воссозданию храма Святого Владимира, председателем которой стал сам Гужвин. 27 июля 1999 года храм вернули Русской православной церкви, а 28 июля 2001 года епископ Иона Карпухин освятил новые колокола.