Бажання побудувати в Києві великий храм в ім’я хрестителя Русі-України князя Володимира Великого виникло на початку — 1850-х років у зв’язку зі спорудженням у місті на терасі Михайлівської гори пам’ятника князю. Володимира зображено з хрестом у руках на п’єдесталі, який має вигляд давньоруської каплиці. Митрополит Київський і Галицький Філарст (в миру — Амфітеатров, 1779-1857 pp.) висловив своє побажання імператорові Миколі І, який схвалив пропозицію і дозволив почати в Росії збирати пожертви на зведення храму.
Філарст був доктором богослов’я, ректором Московської духовної академії, високоосвіченим письменником. Його й тепер пам’ятають як одного з найвидатніших діячів православної церкви, що мав всезагальну повагу за праведне християнське життя. Саме завдяки його старанням у вересні 1852 року був організований комітет з будівництва собору, якому Київська духовна консисторія повідомила: «Згідно з все підданою доповіддю обер-прокурора графа Миколи Олександровича Протасова, Государ імператор 12 липня височайше затвердив ухвалення Найсвятішого Синоду від 28 червня щодо спорудження в Києві соборного храму в ім’я просвітителя Русі, Найсвятішого рівноапостольного князя Володимира».
Підготовка до будівництва завдяки наполегливості і невпинній увазі митрополита проходила досить активно. До складу організованого за його починанням і головуванням комітету увійшли такі особи: намісник Києво-Печерської лаври архімандрит, протоієрей Софійського собору І. Скворцов, ключар того ж собору протоієрей Т. Сухобрусов, соборні старці Лаври — начальник друкарні ієромонах Веніамін, скарбник Ігнатій, начальник лікарняного монастиря Іринарх, еклесіарх Мелетій і письмоводитель митрополита Л. Рацкенич. Ієромонах Іринарх від участі в комітеті відмовився, і його замінили ключарем Лаври Геннадієм.
Як нидію, в складі комітету переважали представники Києво-Печерської лаври, які малі і достатній досвід організації збору коштів і підготовки до будівництва. Вони й почали свою діяльність з виконання такого припису Найсвятішого Синоду: «1. Уповноважити митрополита звернутися до відомих йому осіб, які дбають про благоліпність храмів, і запросити їх до христолюбних пожертв, а для збору пожертв дати митрополиту книгу. 2. Митрополитові доручити зв’язатися з київським світським начальством на предмет складання плану і проекту майбутньої споруди і приблизного вибору в Києві пристойного для храму і вільного місця».
Комітет, враховуючи нагромаджений досвід, став дбати про посилене надходження пожертв, про вибір підходящого місця і. нарешті, про вироблення належного проекту самої побудови.
Перше своє завдання — збір коштів — комітет почав виконувати в такий спосіб: митрополит Філарет пожертвував 7 000 крб., члени комітету Мелетій та Іринарх — відповідно 100 крб. і 600 крб., флігель-ад’ютант граф Н. В. Мулсберг-400 крб., а почесний московський громадянин А. І. Лобковський пожертвував 1000 крб. Гроші було внесено в київську контору Державного комерційного банку: вони склали основу фонду для побудови собору, хоч було очевидно, що зібраних грошей не вистачило б навіть на проектні роботи.
Митрополит Філарет 4 листопада 1852 року розіслав заклики до всіх ієрархів православної церкви — митрополитів, архієпископів, єпископів і до вищих адміністраторів — генерал-губернаторів і губернаторів. Там були проникливі рядки, що в «береженому Богом граді Києві, святій колисці православної віри і сховищі вітчизняної святині, немає досі храму Божого в ім’я Святого рівноапостольного князя Володимира, пристойного найсвятішій і найлюб’язнішій всякому руському серцю пам’яті його. В теперішній час, згідно з найвищою, найблагочестивішою государя імператора волею, передбачено в цьому граді побудувати давнім візантійським зодчеством теплий соборний храм в ім’я просвітителя Русі святою вірою па добровільні пожертви вірних синів Православної церкви…».
Друге завдання комітету — відведення ділянки для будування собору — митрополит пробував розв’язати за допомогою київського генерал-губернатора Д. Г. Бібікова. Про нього-кілька слів. Дмитро Гаврилович Бібіков був бойовим генералом; у битві під Бородіном втратив руку. Вийшовши у відставку, займав високі адміністративні посади, з 1837 року — київський генерал-губернатор, аз 1852 року-міністр внутрішніх справ. Бібіков був неоднозначною людиною, про якого відомі досить несхвальні відзиви Т. Г. Шевченка і М. Лескова, головним завданням правління він вважав «злиття західного краю з давньою батьківщиною природних його жителів», тобто русифікацію українського селянства та всіляке правове обмеження католицького населення. Враховуючи активну участь заможного польського католицького населення в боротьбі за незалежність, він став завзятим прихильником українського православного селянства, сприяв розвиткові освіти краю, при ньому було відкрито ряд учбових закладів (утому числі Київський університет), історичний архів і багато церков. Тому й писав йому митрополит Філарет: «Крім двох вказаних йому місць для побудови в Києві храму в ім’я Св. Володимира, досить зручним здається і третє місце — при Золотих Воротах, вказане ним спочатку», про що й просив доповісти імператору. Бібіков відповів, що Микола І схвалив ділянку біля Золотих Воріт.
Поки збирали пожертви, митрополит Філарет шукав архітектора, якому можна було доручити розробку проекту собору. Ним став Іван Васильович Штром (1823-1887 pp.), тоді він працював у Києві над зведенням будинку Володимирського кадетського корпуса (нині Міністерство оборони України на Повітрофлотському проспекті), і на той час, і ще довго по цьому — найбільшого будинку в місті. Штром завершив розробку грандіозного собору, який відповідно до завдання на проектування було подано у формах так званого російсько-візантійського архітектурного стилю, що його насаджував Найсвятійший Синод по всій імперії. Храм у плані мав бути у формі витягнутого хреста і під 13 банями. Завданням на проектування вартість будівництва не була обумовлена — Штром склав кошторис на 700 тис. крб. Проект було направлено в Санкт-Петербург і з «найвищим затвердженням до виконання 9 квітня 1853 р.» повернуто до Києва. У 1860 році за розроблений проект Штром був удостоєний звання академіка архітектури.