Урядом було організовано під керівництвом віце-губернатора С. Н. Гудима-Левковича особливий будівельний комітет, куди ввійшли губернський архітектор Проскуряков. архітектор будівельного відділення Юргенс, автор останнього проекту Беретті та інші. Справа будівництва собору від церковних властей перейшла в державні руки. Доводилось розв’язувати складні, небезпечні завдання. Коли стали змінювати риштування й укріплювати кладку, що зазнала руйнувань від погодних умов, раз у раз виникали ситуації, які могли призвести до загибелі будівельників, та Боже Провидіння цього не допустило. Роботи по завершенню собору було начорно завершено через б років, у 1882 році стіни укріпили прибудовами і контрфорсами, надбудували головну баню і склепіння на малих банях. Після цього будинок собору було випробувано укладанням на склепіння 40 тис. пудів (640 тонн) піску в мішках.
Натяг підтвердив високу надійність конструкції. За всі наступні роки в приміщенні храму виникнення значних нових тріщин або відновлення старих не відзначалось. Після проведення випробувань було виконано штукатурні роботи, почеплено дзвони і, нарешті, встановлено хрести. Всі роботи по будівництву, крім розпису і прикрас, обчислено в 316 082 крб.. які виплатив імперський уряд.
Собор побудовано в псевдо-візантійському стилі — за основу було взято об’ємно-планувальне рішення храмів, які споруджувались на початку другого тисячоліття після Різдва Христового у Візантійській імперії і Київській Русі. У плані собор тринефний з вісьмома несучими стовпами-пілонами, на які спираються п’ять бань, розкритих у внутрішній простір; над притвором виконано ще два куполи дзвіниці (у храмах Візантії такі дзвіниці звичайно не траплялись). Ширина собору — близько ЗО м. довжина — 55 м, висота біля центральної бані разом з хрестом -49 м. Над при твором і бічними нефами споруджено великі хори.
Один престол п ім’я рівноапостольного князя Володимира влаштовано в нижній частині храму в середньому нефі, а в бічних — жертовник у правому і ризниця в лівому. Таким чином, іконостас не мас північних і південних дверей, на їх місці царські врата бічних нефів. Часті зміни проектів і архітекторів призвели до того, що акустика собору бажає кращого. Та особливо засмучує нестача денного світла, що падає через верхні вікна, тому настінні розписи можна добре роздивитися лише при електричному освітленні.
Так би лишився будинок собору рядовою пам’яткою псевдо-візантійської архітектури, яких побудовано було досить багато по всій території Російської імперії, та прикладом технічної неграмотності, коли б не внутрішнє оздоблення храму.
Ще тривали завершальні роботи, коли член Київського церковно-археологічного товариства, професор Київської духовної академії Малишевський на одному з засідань порушив питання про те, що було б бажано надати внутрішньому оздобленню храму, стилізованого під Візантію, сучасний князю Володимиру вигляд. Громадськість підтримала цю ідею і обер-прокурор найсвятішого Синоду доручив церковно-історичному товариству виробити проект інтер’єру відповідно до пропозиції Івана Малишевського, який багато років займався епохою хрещення Русі.
Візантією тривалий час займався і А. В. Прахов, тому він запропонував свої послуги. Через рік, а саме в 1883 році, він надав креслення мармурових іконостасів і ківорія у візантійському стилі, хоч відомо, що у візантійських храмах іконостаса взагалі не було. Церковно-історичне товариство не прийняло пропозиції Адріана Вікторовича, а вирішило доручити В. І. Ніколаєву скласти загальний проект, враховуючи рекомендації комісії, і визначити приблизний кошторис необхідних витрат. Можна було вже приступати до роботи, але тут Петербурзьке археологічне товариство, всупереч думці київських колег, віддало перевагу розробці Прахова. У 1885 році Прахов стає керівником внутрішнього оздоблення храму, його включено в склад комісії по будуванню. Адріан Вікторович, відомий знавець старого церковного мистецтва, був на доброму рахунку утрафа Толстого, на той час міністра внутрішніх справ. З його сином Прахов здійснив тривалу поїздку по країнах Сходу. Завдяки надзвичайній енергії і плідній діяльності
A. В. Прахова собор став унікальним за своїм інтер’єром, передовсім — за живописним розписом.
Прахов зовсім по-новому підійшов до внутрішнього оздоблення храму: за основу було взято візантійську систему розписів, уведено образи й сюжети, пов’язані з історією нашого народу часів Київської Русі. Для виконання настінних розписів Прахов запросив кращих митців того часу: російських художників В. М. Васнецова, М. В. Нестерова, М. О. Врубеля; поляків П. і О. Свєдомських і В. О. Котарбінського; українських майстрів В. Д. Замирайла, С. П. Костенка, І. К. Пимонепка та інших.
В результаті більш ніж десятирічної тривалої повсякденної праці постало чудесне, славетне явище релігійного мистецтва, яке вражає кожного, хто входить у храм. Ці розписи було повторено в сотнях церков, у тому числі й київських, а образи B. М. Васнецова стали, фактично, канонічними в православній церкві.