С самого основания Санкт-Петербурга вдоль берега Малой Невы начал формироваться жилой квартал. Эта местность стала называться Мокруша , так как во время наводнений её часто заливало, она была достаточно болотистой. В 1708 году здесь построили первую деревянную церковь названную именем Святого Николая. В 1713 году здесь же построили мазанковый храм. Его главный престол был освящён в 1719 году, при этом событии присутствовал сам Пётр I. Временно собор получил статус соборного, так как тогда он превосходил по своим размерам и числу престолов другие существующие храмы (Троицкий, Петропавловский, Исаакиевский). Храм в народе стали называть Успение на Мокруше .

В 1740 году по указу Анны Иоанновны в честь рождения наследника престола Иоанна Антоновича рядом со старой деревянной церковью начали строить новый каменный храм. Автором проекта стал М. Г. Земцов. После смерти Земцова строительство поручили Пьетро Трезини. Храм планировалось построить по образу Петропавловского - однокупольным. Собирались назвать его именем святого Иоанна Предтечи, в память отца Анны Иоанновны и будущего императора Иоанна. Однако смерть императрицы приостановила строительство, Иоанн Антонович оказался узником Шлиссельбургской крепости. Кроме того, выяснилось, что алтарная часть храма ориентирована на юг, а не на восток, как принято по православным традициям. К 1742 году собор подвели под своды, но в дальнейшем средства на строительство предоставлять перестали. Сам же приход не мог изыскать необходимые средства на строительство храма вместимостью 3000 человек и продолжал довольствоваться старым зданием.

В 1747 году Елизавета Петровна повеледа достроить собор, причём достраивать его она решила пятиглавым. Так как собор не мог носить имя свергнутого императора, его стали называть Успенским. Пьетро Трезини составил новый проект, который не понравился Елизавете и был отвергнут. Императрицей проектирование собора было предложено всем петербургским архитекторам.

Новый проект разработан был только при Екатерине II. Конкурс на строительство в 1765 году выиграл Антонио Ринальди. С 1766 года им было начато строительство храма, за основу которого был взят московский Успенский собор. Здание было построено практически полностью, когда в 1772 году произошёл пожар. Он уничтожил старую мазанковую церковь и повредил новое здание. Тем не менее, здесь освятили Успенский придел.

К этому времени Россия вышла на берега Чёрного моря. В 1778 году в устье Днепра был заложен город Херсон, название своё он получил в честь Херсонеса. Именно там великий князь Владимир принял крещение. 31 мая 1783 года Екатерина II, желая, чтоб начатая давно уже на Петербургской стороне церковь Успения Пресвятой Богородицы приведена была к окончанию передала дела о строительстве в управление Александро-Невской лавры. Завершением строительства собора занялся И. Е. Старов. В 1789 году освятили храм уже не в честь Успения Богоматери, а в честь князя Владимира. В напоминание о прежних названиех здесь были освящены два придела - Успенский и Никольский. Первоначально они располагались в отдельных небольших помещениях, а в 1866-1867 годах были перенесены в боковые нефы храма. Тогда же Князь-Владимирский собор стал тёплым.

С 1806 года при соборе действовало духовное училище. В 1845 году Князь-Владимирский собор стал орденским. С этого времени здесь сформировалась традиция отмечать орденский праздник 22 сентября. В 1875-1917 годах здесь находилось благотворительное общество и приют для сирот.

В 1871-1872 годах территорию вокруг собора озеленили и оградили. Сделали это после того как в 1870 году император Александр II указал, что площадь при соборе по своему виду не соответствует наружному благоустройству столицы .

В 1882-1886 годах на средства прихожан ближе к Тучкову мосту в память о императоре Александре II была построена часовня. Её проект составил Н. Н. Ковригин, сделал архитектор это безвозмездно, в дар Князь-Владимирскому собору. Освятили часовню 2 июня 1886 года.

В 1896 году между часовней и собором был разбит сквер.

В советское время Князь-Владимирский собор оставался действующим. На территории Петроградского острова к 1934 году он стал единственным открытым храмом для прихожан. В 1933 году его колокола сняли и отправили на переплавку. С 1938 по 1941 год Князь-Владимирский собор носил статус кафедрального собора Ленинградской митрополии. В 1940 году сюда перенесли Казанскую икону Божией Матери. В начале 1941 года соборным храмом стал уже Николо-Богоявленский собор. В 1946 году восстановили колокольный звон Князь-Владимирского собора, причём большой колокол отлили в Финляндии.

В 2001 году Казанскую икону вернули в Казанский собор, на её месте оставили копию.

Князь-Владимирский собор открыт ежедневно с 8:00 до окончания службы.