Церковь иконы Владимирской Божьей матери, недавно ставшая собором, строилась долго. Вначале она помещалась в частном жилом доме на углу улиц Колокольной и Марата (тогда – Грязной). Затем на Владимирской площади появилась деревянная церковь, нынешний храм заложили 26 августа 1761 года, в самом конце царствования Елизаветы, а освятили 8 ноября 1768 г. – уже при Екатерине II. Пятиглавая двухэтажная церковь, одна из красивейших в России, построена в стиле елизаветинского барокко. Автор ее неизвестен, многие исследователи склоняются к тому, что проект принадлежал Пьетро Антонио Трезини, сыну строителя Петропавловского собора Доменико Трезини. В момент закладки храма он был городским архитектором при петербургской Полицмейстерской канцелярии и строил большую часть приходских и несколько лаврских церквей.

Но авторских проектных чертежей не сохранилось, в 1751 году он покинул Россию. К тому же известные нам работы этого архитектора не так декоративны и праздничны, как Владимирская церковь. Игорь Грабарь писал: «В Петербурге и его окрестностях сохранилось еще несколько памятников елизаветинской эпохи, авторы которых неизвестны. Приписывать их по стилистическим признакам тому или другому мастеру очень рискованно. И впредь до какой-либо счастливой находки подтверждающих документов мы предпочитаем оставить их анонимными. Прежде всего сюда надо отнести храм Владимирской Божьей матери. Существует указание на то, что автором его проекта был Растрелли, но если бы он и составил в свое время – быть может, еще в 1750-х годах – проект, то позже он подвергся существенным изменениям. Но и помимо этих изменений тот облик, который он получил в 1760-х годах, мало вяжется с растреллиевской архитектурой». Может быть, Ринальди, Чевакинский, Аргунов? В 1791 году по проекту Джакомо Кваренги, при участии Ивана Руска севернее церкви была сооружена трехъярусная колокольня. В 1847 году прихожане обратились к Николаю I со следующим прошением: «Колокольня церкви имеет наружность красивую, но гораздо более она имела бы красоты и приятности, если бы была доведена до надлежащей высоты». В 1849 году колокольня по проекту Франца Руска была надстроена четвертым ярусом и высоким куполом. В 1829 году архитектор Авраам Мельников пристроил к собору со стороны площади массивное трехэтажное сооружение – трапезную, выходящую на Владимирскую площадь, – типичный поздний николаевский ампир.