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 удостоена звания собора.
Храм имеет крестообразный план. Боковые фасады искажены невысокими пристройками, но в целом сохранили первоначальное оформление. Фасад западного двухэтажного притвора, возведенного в 1831 году (архитектор А. И. Мельников), выполнен в духе позднего классицизма, хотя и с использованием отдельных барочных элементов. 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 из домовой церкви Аничкова дворца, спроектированный Ф.Б. Растрелли. Тогда же прежний иконостас был развернут к алтарю, став оборотной стороной новой алтарной преграды. Оба иконостаса сохранились до наших дней — они представляют большую художественную ценность. Иконостасы приделов выполнены в 2000-х годах в стиле Растрелли (архитектор Ю. В. Кирс).
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 еще на один ярус. По своим художественным достоинствам это одна из лучших колоколен эпохи классицизма в Санкт-Петербурге.
