У липні 1853 року імператор затвердив проєкт будівництва собору, а вже у вересні того ж року було відкрито пам'ятник князю Володимиру. Раніше, у 1852 році, було створено комітет із будівництва храму під керівництвом митрополита Філарета, який передбачав фінансування за рахунок добровільних пожертв. Архітектор Іван Штром розробив проєкт величного хрестоподібного собору з 13 банями, що базувався на візантійських традиціях та спадщині Київської Русі. Цей проєкт отримав схвалення Святійшого Синоду та імператора, проте його реалізація вимагала значно більше коштів, ніж було зібрано.
Пошук місця та спрощення проєкту
Після смерті митрополита Філарета збір пожертв сповільнився, і новий митрополит Ісидор Нікольський зіткнувся з фінансовими обмеженнями. Розглядалося кілька варіантів місця будівництва, але врешті-решт було обрано ділянку на тодішній бульварній вулиці (нині бульвар Тараса Шевченка). Через нестачу коштів, необхідних для грандіозного тринадцятибанної споруди, особливо з урахуванням витрат на опалення, митрополит наполягав на спрощенні проєкту. Архітектор Павло Спарро переробив проєкт, скоротивши довжину храму, зменшивши центральний об'єм та кількість бань до семи. Цей варіант був затверджений у листопаді 1859 року.
Нові проєкти та будівельні випробування
Проте новий митрополит Арсеній не схвалив проєкт Спарро і у 1861 році доручив створення нового проєкту академіку Олександру Береті. Береті, попри початкові вагання, погодився, враховуючи попередню роботу його батька над університетом Святого Володимира. Його проєкт, затверджений у 1862 році, загалом зберіг концепцію Штрома, але був значно доопрацьований. Він зменшив кількість бань та відмовився від хрестоподібної форми. Знайдення доброго ґрунту дозволило скоротити витрати на фундамент, і Береті, не чекаючи погодження у Санкт-Петербурзі, самостійно збільшив розміри собору майже у півтора раза. Це призвело до можливості облаштування трьох престолів, підвальних приміщень та системи опалення. Києво-Печерська лавра надала 1 мільйон цеглин.
Однак, згодом рішення Береті зменшити товщину стін та опорних конструкцій заради збільшення внутрішнього простору виявилося фатальним. Вже у 1864 році виникли занепокоєння щодо надійності опорних стовпів, але Береті відкинув застереження. Незабаром на споруді з'явилися численні тріщини. Спроби врятувати собор шляхом посилення конструкцій та закладання тріщин, запропоновані архітекторами Кузьміним та Маєвським, не змогли запобігти катастрофі. У січні 1866 року, під час розбирання верхніх частин бань, сталося часткове обвалення головної бані. Будівництво зупинили, а спеціальний технічний комітет, до складу якого увійшов Іван Штром, визнав продовження будівництва в існуючому стані неможливим. Основною причиною аварії назвали самовільне збільшення розмірів без посилення конструкцій. У 1868 році Олександра Береті усунули від керівництва роботами.
Відновлення будівництва та завершення
Майже десятирічна пауза в будівництві завершилася у 1875 році, коли імператор Олександр II висловив бажання якнайшвидше завершити спорудження храму. Академік Рудольф Бернард підготував новий проєкт порятунку, який передбачав укріплення стін, опор, перебудову бань та усунення пошкоджень. Вартість робіт становила 290 000 карбованців. У 1876 році будівництво було відновлено під керівництвом учня Бернарда, Володимира Миколаєва. Масштабна реконструкція та добудова собору успішно завершилися у 1883 році. Оздоблення будівлі, встановлення дзвонів та штукатурка фасадів надали йому завершеного вигляду.
«Собор збудований на підвищенні у найкращій і дуже мальовничій частині Києва. Загальні розміри та міські собору без прибудов досить значні. За планом храм нагадує візантійську базиліку з трьома нефами, з яких середній значно ширший за бічні. Варто пояснити, що базиліка - це тип громадської споруди, який ще у Візантії використовувався для судових засідань і народних зборів. Такі будівлі мали просторий центральний зал і бічні проходи, відокремлені колонами. Саме тому їх було відносно легко пристосувати до потреб християнського богослужіння, що відбулося в перші століття існування церкви.» — Журнал «Строїтель», 1896 р..
Журнал «Строїтель» у 1896 році описував собор, відзначаючи його візантійські риси, але й вказуючи на деякі недоліки у стилістичній єдності через численні добудови та контрфорси, що надавали йому рис романської чи готичної архітектури. Попри критику щодо зовнішнього вигляду та розподілу мас, зовнішнє оздоблення собору, зокрема двоколірне фарбування стін та розкішні бронзові двері головного входу, виконані за проєктом Адріана Прахова, вражали своєю майстерністю. Ці двері, вагою близько 3,3 тонни, прикрашені емаллю, різьбленням та зображеннями святої Ольги і князя Володимира. Загалом, зовнішній вигляд собору і сьогодні нагадує класичні пам'ятки візантійської архітектури, демонструючи нерозривний культурний зв'язок між Візантією та Київською Руссю, який прагнув показати ще перший автор проєкту Іван Штром.