До головної бані прилягали чотири менших за роз­мірами, до кожної з яких — ще по дві малих бані. Храм мав зводитися на громадські пожертвування, яких не вистачало на реалізацію проекту. 1860 єпархіальному арх. П. Спарро дору­чено зменшити об'єм споруди. За переробленим проектом вилучалося шість малих бань (з півночі, півдня та сходу). Невеликі розміри майбут­нього собору не задовольнили замов­ника — київського митрополита Арсенія (Москвіна), тому 1862 до про­ектування залучили академіка архі­тектури О. Беретті, який зберіг стильову основу первісного проекту, збільшивши при цьому лінійне мірило у півтора рази. Завдяки цьому об'єм храму зростав більше ніж утричі. Після затвердження нового проекту 15 липня 1862 відбулися закладини собору 1866 під час зведення бань у склепіннях та арках нижнього об'є­му з'явилися тріщини, що призвело до призупинення зведення собору.

О. Беретті було усунено від керів­ництва будівництвом. Протягом 1865— 75 ці обов'язки покладалися на І. Штрома, М. Іконникова, В. Дейне­ку, але спорудження не велося. Лише 1875, коли за наказом імператора Олександра II було виділено додатко­ві кошти, і до Києва приїхав автори­тетний консультант — всесвітньові- домий фахівець зі спорудження скле­пінчастих будівель — проф. Р. Бернгард, роботи відновилися. Р. Бернгард запропонував укріпити стіни вісьмома контрфорсами й трьома тамбурами входів із західного, південного і північ­ного боків. Його пропозиції було прий­нято. Керівництво будівництвом, за ре­комендацією Р. Бернгарда, доручили його учневі — київському єпархіаль­ному арх. В. Ніколаєву. Незважаючи на складність робіт, 1882 молодий будівничий завершив спорудження со­бору. Він запропонував також власний проект оформлення інтер'єрів. Проте до виконання було прийнято найбільш вдалі пропозиції проф. А. Прахова.

1896 завершено розписи й опоряджу­вальні роботи. 20 серпня того ж року відбулось урочисте освячення храму за участю царя Миколи II та митро­полита Іоанникія (Руднєва).

Історію будівництва відбито в текстах на чотирьох мармурових дошках, розміщених біля північного і півден­ного входів.

Собор — прямокутна у плані хрестовобанна триапсидна споруда, увін­чана сімома банями (п'ять — над цент­ральним об'ємом і дві — над нартексом), які формують пірамідальну архітектурну композицію. Розміри у плані: 29,85x54,93 м, висота до хрес­та головної бані — 48,99 м. Стіни й склепіння цегляні, покриті листовим залізом, ковані хрести над банями позолочені. Коробові склепіння поздовжніх і поперечних нав виявлено на фасадах закомарами, облямовани­ми архівольтами і поясами із сухари­ків. Членуванням внутрішнього про­стору відповідають квадратні у пере­тині контрфорси, увінчані декоратив­ними баньками. Спарені й потрійні аркові вікна з колонками у простін­ках розміщено у два яруси. Площини фасадів оброблено під руст. Невисокі тамбури трьох входів накрито сферич­ним дахом, над арками вхідних порта­лів — мозаїчні зображення святих кня­зів Володимира, Олега і Олександра Невського, виготовлені за ескізами В. Васнецова у петербурзьких май­стернях А. Фролова. Барельєфні брон­зові постаті княгині Ольги й князя Володимира на дверях центрального входу виконано скульпторами Р. Бахом і Г. Залеманом.

Внутрішній простір собору розділено вісьмома пілонами на три нави, з яких середня вища і ширша за бічні. Бічні нави двоярусні, на верхніх хорах роз­міщено бічні вівтарі — Ольгинський (з півдня) і Борисоглібський (з півночі). Будівництво Володимирського собору стало помітною віхою у релігійному і мистецькому житті Російської імпе­рії кін. 19 ст. Собор відзначається високим рівнем декоративно-мисте­цького оформлення і багатством опо­ряджувальних матеріалів. Оздоблювальними роботами у со­борі, як і добором художників, ке­рував відомий мистецтвознавець, про­фесор петербурзької Академії ми­стецтв, пізніше — Київського універси­тету А. Прахов. До виконання настінних розписів в інтер'єрі храму було залучено відомих художників із Росії (В. Васнецов, М. Нестеров, М. Врубель, П. та О. Сведомські, В. Котарбінський), а також місцевих українських митців — переважно учнів Київської рисувальної школи М. Мурашка (М. Пимоненко, С. Костенко, В. Замирайло, С. Яремич, О. Курінний та ін.). Розписи виконано олійними фарбами по спеціально підготовле­ному шару тиньку.

Відповідно до задуму А. Прахова та його однодумця В. Васнецова, Володи­мирський собор мав стати не тільки християнським храмом, але й своєрід­ною пам'яткою часам Київської Русі та історичного становлення держав­ності на східнослов'янських землях. Автори настінного розпису собору створили ансамбль історико-релігійного живопису національного звучання. Велика заслуга у цьому В. Васнецо­ва — живописця історичного жанру, портретиста, майстра монументально - декоративного мистецтва. Він розписав до 3 тис. кв. м площини стін, виконав 15 тематичних композицій і 30 окре­мих постатей святих на повний зріст, а також орнаменти й зображення в медальйонах.

Поряд із традиційними для храмових розписів композиціями («Христос - Вседержитель»,  «Богоматір з немов­лям», «Євхаристія», «Стрітення Гос­поднє», «Праотці в раю», «Страшний суд» та ін.) В. Васнецов створив монументальні сюжетні картини на теми вітчизняної історії («Хрещення Володимира», «Хрещення Русі»), а та­кож цілу галерею канонізованих церк­вою історичних діячів (святі князі Володимир, Андрій Боголюбський, Олександр Невський, Михайло Черні­гівський, Михайло Тверський, святі княгиня Ольга і Євдокія, Нестор-літописець, Алімпій-живописець та ін.). Завдяки художньому уявленню живо­писця і знанню ним народних тради­цій вони набули яскравих портретних характеристик: зі стін собору дивля­ться не умовні образи святих, а пере­дані реалістично з індивідуальними й національними рисами обличчя мудрих державних діячів, благочестивих ченців-трудівників, мужніх, відважних воїнів — поборників віри, свободи й справедливості. Вражають прекрасні, натхненні жіночі образи. В. Васнецов створює свій власний стиль, в якому вміло поєднує реалістичний живопис з архітектурними формами, а також з розкішним за рисунком і колоритом орнаментальним облямуванням. У зо­браження святих та їхнє оточення він вводить багато візерунчастості, що разом з орнаментами, виконаними за ескізами В. Васнецова, перетворили собор на пам'ятку декоративно-мону­ментального живопису. Орнаменти суцільно вкривають стіни, пілони, арки, склепіння, карнизи усі вільні від тематичного живопису місця. Головний твір В. Васнецова — монументальний образ Богоматері з немовлям-Христом на руках (вис. 10,5 м) — розміщено на увігнутій поверхні цен­тральної вівтарної апсиди. Композиція панує над простором нави й добре проглядається з усіх боків. Контраст темно-синього одягу на сяючому золо­том тлі створює насичену декоративну гаму, що гармонійно поєднується з ко­льоровим вирішенням сусідніх компо­зицій і всього інтер'єра собору. По­стать молодої жінки з благаючим, скорботним і одночасно всепрощаючим поглядом широко розкритих очей зображена в русі: стоячи у ледь освіт­лених вранішнім сонцем рожевих хмарах, вона ніби витає в небесах, несе назустріч людям свого сина. Розвіваються складки її одягу, рух під­креслено напрямком крил серафимів, що витають навколо Богоматері. її образ відзначається зворушливою лю­дяністю; у ньому втілено красу жіноч­ності й глибину материнського почуття. Оригінально вирішено образ Христа. Жест його рук ніби виражає захоплення красою світу, порив до нього, бажання обняти його. Композиція «Богоматір з немовлям» зумовила вирішення інших вівтарних зображень. Внизу — виконана В. Васнецовим сцена «Євхаристії». На цьо­му ж рівні, на південній і північній стінах вівтаря розміщено групи святи­телів вселенської і православної цер­ков (по шість постатей на кожній). Отців церкви зображено фронтально, вони урочисто стоять перед глядачем у застиглих позах. Це — Старці з суво­рим виглядом і з великим життєвим досвідом. Обличчя їхні освітлені внут­рішнім світлом. Другий ярус головного вівтаря заповнено образами ветхозавітних пророків (по шість постатей з кожногобоку від головного вівтарного зображення) також написаних В. Васнецовим. Не відміну від Сонму святителів, їх передано в русі, силуети їхні різні, облич чя й жести патетичні, погляди звер­нені до Богородиці. Образи пророків вирішено в екзотичному східному стилі, наділено яскравими індивідуаль­ними характерами. Виділяється про­рок Мойсей із скрижалями в руках, близький до знаменитого скульптурно­го образу Мойсея, створеного генієм Мікеланджело. Васнецову належать також ікони вівтарної перепони голов­ного вівтаря. Над центральною части­ною собору в бані ним виконане велике зображення «Христос-Вседержитель» на тлі зоряного неба з роз­міщеними над Києвом сузір'ями. На плафоні центральної нави художник розмістив дві великі, взаємопов'язані за сюжетом картини: на одній зобра­жено хрест із розп'ятим Сином Божим, на другій — Бога-Отця, який простягає руки до Сина і приймає його Дух. Ці грандіозні, повні динамізму, драма­тизму, пафосу реальних людських пристрастей композиції написано з неприхованим відхиленням від офіцій­них церковних канонів.

Помічником В. Васнецова був живо­писець М. Нестеров. Він написав 16 ікон для чотирьох передвівтарних перепон: двох — у нижньому ярусі (у жертов­нику і дияконнику) і двох — на хорах (південному вівтарі св. княгині Ольги і північному — святих князів Бориса і Гліба). Поряд із традиційними для православної церкви святими (св. Ми­кола Мирликійський, св. великомучениця Варвара, святі царі Константин і Єлена та ін.) М. Нестеров втілив образи канонізованих церквою національних історичних діячів (святі князі Борис і Гліб, св. княгиня Ольга, просвітителі Русі — святі Кирило і Мефодій св. Михаїл — перший київський єпис­коп та ін.). Крім того, пензлеві Нестерова належать дві великі запрестольні композиції на хорах («Різдво Христове» — у південному вівтарі, «Вос­кресіння Господнє» — у північному) і одна—в хрещальні («Богоявлення»). Надзвичайно важливу роль цілісного художнього образу, а часом і першо­рядну, відіграє у творах Нестерова пей­заж. Барви переважно світлі, срібля сті, близькі до кольорів фрескового живопису. Нестеров — один з небага тьох майстрів, якому вдається з великою життєвою достовірністю передати в живопису стан релігійного екстазу втілити такі тонкі душевні почуття як розчулення, благоговіння, справжню, майже дитячу, душевну чистоту і довірливість, радісну покірність.

У Володимирському соборі працювали молоді художники В. Котарбінський і П. Сведомський, які розробляли свої композиції надзвичайно точно писали етюди з натури. Вони створили серію великих монументальних картин на біблійно - євангельські теми й цілу галерею окремих постатей святих на стінах і склепіннях бічних нав і на хорах («Таємна вечеря» і «В'їзд до Єрусалима» — у південній наві, «Розп’яття» і «Суд Пілата» — у північній). Один з них розробляв композицію інший прописував деталі й навпаки.

До розпису Володимирського собору було також залучено худ. М. Врубеля. Він створив серію ескізів тематичних композицій, геометрично-рослинних орнаментів у бічних навах, як в натурі здійснили київські художники. В його орнаментах менше радості й світла, ніж в орнаментах Васнецова, але більше динаміки, напруженої боротьби й ніби роздумів над сенсом буття.

Чимала заслуга у розписі собору українських (київських) митців. Наприклад пензлеві С. Костенка належать образі серафимів, розміщені навколо вівтарного образа Богоматері, які захоплюють рідкісним за красою виразом захвату і благоговіння на дитячих обличчях. В. Замирайло створив оригінальні написи на тематичних композиціях, виконані у стилі слов'янської в'язі, які стали невід'ємним декоративним елементом розписів та ніби пов'язали їх із площиною стіни (шрифт, вироблений В. Замирайлом, пізніш широко використовував В. Васнецов у своїх творах). Образи св. Миколи Мирликійського, св. цариці Александри та інші написані М. Пимоненком. Володимирський собор — це зразок прекрасного синтезу різних видів мистецтв: архітектури, монументального настінного і станкового живопису, творів декоративно-ужиткового мистецтва. В оздобленні інтер'єра використано мармур різних родовищ, бронзові позолочені деталі, прикрасі з емалі та інших матеріалів. Із каррарського мармуру білого, сірого і рожевого тонів виготовлено усі п’ят іконостасів. Капітелі з тонким різьбленням та інші елементи вівтарних перепон зроблено у Каррарі в Італії. Перепони прикрашено мозаїчним орнаментом і увінчано бронзовими позолоченими кокошниками у вигляді стилізованих квітів і листя. Мармуровими плитами темних тонів, привезеними з Франції та Бельгії, облицьовано панелі собору. Підлогу викладено у шаховом порядку плитами сірого й білого кольорів. На хорах підлога паркетна. З різьбленого мармуру — огорожа на хорах, ківорій у хрещальні. Головний вхід на хори — у вигляді трипрогінної арки. Всі основні елементи оздоблення ін­тер'єра виконувалися за проектами А. Прахова.

Монументально-декоративний живо­пис, виконаний видатними художни­ками, відродив певною мірою давні національні традиції і послужив взір­цем для багатьох храмових розписів кін. 19 — поч. 20 ст. Кожного, хто вхо­дить до собору, вражає святковий ошатний вигляд його внутрішнього простору.

У роки громадянської та 2-ї світової воєн настінні розписи собору зазна­вали відчутних пошкоджень, в основ­ному внаслідок порушення необхід­ного для їхнього збереження температурно-вологісного режиму. Після війни коштом уряду та на пожерт­вування віруючих тут проводилися складні ремонтно-реставраційні захо­ди. Великий обсяг робіт проведено 1946—56 групою художників-реставраторів під керівництвом Л. Калиниченка. Подібні роботи щодо збере­ження розписів ведуться і тепер.

З 1943 собор став кафедрою митропо­лита Київського, Галицького і всієї України (тепер — митрополита Україн­ської православної церкви Київського патріархату) [365].