В ходе военных действий Севастополь был разрушен практически до основания. Во время обстрелов и бомбардировок пострадал и строящийся собор, к тому же по разным причинам замедлялись темпы его строительства. Одной из причин было то, что первоначальный сбор средств производился на постройку храма Святого Владимира в Херсонесе, а по инициативе адмирала Лазарева на собранные по подписке деньги начали сооружение собора на Центральном городском холме Севастополя. Последовало распоряжение разделить собранные средства на две равные части, чтобы строить и церковь в Херсонесе, и собор на городском холме. Храмовые праздники в двух Владимирских соборах было решено отмечать в разные дни. В храме-усыпальнице праздник отмечался в первое воскресенье после 15 июля.

Храм Святого равноапостольного князя Владимира по своей архитектуре и изящной внутренней отделке стал одним из красивейших и заметных сооружений Севастополя. К оформлению собора были приглашены лучшие мастера того времени. Для внешней отделки собора использовали инкерманский камень белого и серого цвета. Все 12 наружных колонн сделали из крымского диорита. В отделке интерьера храма использовалось сочетание итальянского мрамора и ценных пород дерева, монументальной и орнаментальной живописи. Иконостасы с тончайшей резьбой, подкупольные колонны, украшенные тончайшим мраморным кружевом, по карнизам колонн шли надписи: «Бог Отец создал этот дом Божий, Сын Божий этот дом утвердил, Святой Дух Божий этот дом обустроил. Слава Тебе, Святая Троица». Все росписи на сводах и стенах выполнялись строго по канонам Православной Церкви.

Во время проведения отделочных работ для лучшей вентиляции храма устроили в окнах во все стекло бронзовые вентиляторы и стеклянные постоянные жалюзи, которые открывались оригинальным способом из алтаря нижней церкви. Специальное устройство имело небольшой ручной насос. При повороте ручки и накачивании воздуха стекла открывались пневматически, а стрелка манометра показывала степень открытия окон. В западной стене были проложены два канала, один из них превратили в дымовую трубу для камина, а другой – в вытяжной канал для вентиляции. Отапливали собор с помощью калориферов. В зимнее время в храме от дыхания образовывались испарения, повышалась влажность. Поэтому на мраморных оконных рамах сделали уголки-желоба с водосточными трубочками, проходившими в общую цинковую трубу, которую расположили в каменной кладке по задней стене иконостаса. Колокола для звонницы собора были отлиты в Санкт-Петербурге на Малой Охте на колокольном заводе купчихи Васильевой. Этот завод пользовался самой надежной репутацией (там были отлиты колокола для Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге). Полный звон медных колоколов для звонницы состоял из девяти колоколов.

Большое внимание уделялось благоустройству территории вокруг собора. Для отвода грунтовых вод от стен храма соорудили дренажную систему на глубине семи метров, к общему колодцу от стен шли рукава-траншеи. На территории собора находились дом для священника, постройка для сторожа, мастерская по изготовлению свечей, небольшой питомник, оранжерея и парники для выращивания и сохранения декоративных растений, украшавших сквер.

5 октября 1881 года был освящен нижний придел во имя святого Николая Чудотворца, сооруженный над могилами адмиралов. На этом торжестве присутствовали великий князь генерал-адмирал Константин Николаевич, одесский генерал-губернатор генерал-адъютант князь Дондуков-Корсаков, все войска, находящиеся в Севастополе, многие из оставшихся в живых защитников Севастополя и масса народа. Освящение храма совершил архиепископ Херсонесский и Одесский Платон. «Так ознаменовалась 27-я годовщина геройской защиты Севастополя, покрывшей неувядаемой славой русское воинство как сухопутное всех видов оружия, так и морское, защищавшее собой родное черноморское гнездо, которое, несмотря на упорную и поистине геройскую одиннадцатимесячную защиту, было разорено, и только теперь, с освящением нижнего придела храма, начинается его возрождение, составляющее предмет самых горячих начинаний не только всех русских моряков, но и вообще каждого русского», – писала газета «Русский инвалид».