(Центральный холм)
Заложенный в 1854 году на месте склепа, в котором еще в 1851 году погребли умершего в Вене адмирала М.П. Лазарева, собор первоначально проектировался архитектором К.Л. Тоном - автором храма Христа Спасителя в Москве как крестовокупольный храм с пятью главами в русско-византийском стиле. К началу I-й обороны успели выполнить лишь фундамент. В период севастопольской эпопеи в склепе погребли сподвижников адмирала Лазарева, павших руководителей обороны: вице-адмирала В.А. Корнилова, контр-адмирала В.И. Истомина, адмирала П.С. Нахимова. Покой их оказался не вечным: после оставления русскими войсками Южной части города союзники надругались над останками.
После Крымской войны Александр II принял решение о строительстве еще одного Владимирского собора в Херсонесе и передаче на его сооружение половины суммы, собранной для постройки храма в центре города. Архитектору Л.А. Авдееву поручают разработать новый проект с учетом сокращений объемов сооружения. Зодчий блестяще справился с заданием: спроектировал на существующих фундаментах одноглавый, четырехстолпный, крестовокупольный храм в византийском стиле. Работы по его сооружению возобновились в 1862 году, но завершились только при императоре Александре III.
Основание храма устроено в виде креста, купол шлемовидный, к центральной западной части примыкает притвор со звонницей. Симметричные фасады завершаются треугольными фронтонами, северный и южный его фасады акцентированы арочными порталами с колоннами из крымского диорита, увенчанными византийскими капителями. На наружных стенах храма размещены мраморные доски с именами четырех адмиралов и датами их смерти. Высота собора, построенного из крымбальского известняка, с крестом - 32,55 метра.
В верхнем храме во имя Святого Равноапостольного князя Владимира на мраморных плитах занесены имена адмиралов, штаб- и обер-офицеров Морского ведомства, награжденных орденом Св. Георгия за храбрость, проявленную в период Крымской войны.
Над интерьерами храма работали известные мастера: А.Е. Карнеев, итальянский скульптор Бонани, швейцарский художник-орнаменталист Рафаэль Изелла. Одну из росписей выполнил И.К. Айвазовский (не сохранилась).
Позже в усыпальнице собора похоронили еще девять адмиралов: первого градоначальника Севастополя П.А. Перелешина, участников обороны 1854-1855 годов: П.А. Карпова, И.И. Дефабра, В.П. Шмидта, И.М. Дикова, командующих Черноморским флотом С.П. Тыртова, М.П. Саблина, Г.П. Чухнина, управляющего Морским министерством И.А. Шестакова.
До 1917 года Владимирский собор находился в ведении Морского ведомства и содержался на его средства, в 1932 году его закрыли. В годы второй мировой он сильно пострадал: исчезли многие интерьеры и имена георгиевских кавалеров, надгробие на склепе адмиралов, вновь надругались и над их прахом.
В 1972 году Владимирский собор передали Музею героической обороны и освобождения Севастополя, который совместно с общиной, Черноморским флотом до сих пор ведет реставрационно-восстановительные работы (проект архитекторов В.И. Майко и И.Л. Шмульсона). В 1991 г. собор был вновь освящен, в нем возобновлено богослужение.
29 февраля 1992 года после идентификации было произведено торжественное перезахоронение четырех адмиралов в склепе собора. На нем присутствовали потомки В.И. Истомина и В.А. Корнилова.