В 1825 году командующий Черноморского флота адмирал Алексей Самуилович Грейг подал прошение императору Александру I установить памятник на развалинах Херсонеса, в котором был крещён князь Владимир. В 1842 году по ходатайству адмирала Михаила Петровича Лазарева, обеспокоенного недостаточным числом православных храмов в Севастополе, было принято решение о строительстве собора в центре города, а не на развалинах Херсонеса. Подготовительные работы начались в 1848 году. А в 1851 году адмирал Михаил Петрович Лазарев умер, и в память о его заслугах было решено похоронить его в специально сооруженном склепе на месте будущего собора.

Закладка собора была произведена 15 июля 1854 года, и к началу осады Севастополя успели возвести только фундамент. Во время Крымской войны в склепе будущего храма были захоронены адмиралы Владимир Алексеевич Корнилов, Владимир Иванович Истомин и Павел Степанович Нахимов, погибшие на бастионах Севастополя.

В 1862 году, после Крымской войны, работы по возведению собора возобновились, и только в 1888 году строительство было полностью завершено.

В 1931 году склеп был вскрыт и останки адмиралов уничтожены. Во время Великой Отечественной войны храм серьёзно пострадал. В 1991 году специальная комиссия обследовала склеп, и обнаружила среди мусора лишь обломки костей, которые в 1992 году были торжественно перезахоронены. Захоронение адмиралов Михаила Петровича Лазарева, Владимира Алексеевича Корнилова, Владимира Ивановича Истомина и Павла Степановича Нахимова в нижнем храме было отмечено черным мраморным крестом, на четырех сторонах которого были высечены бронзовые надписи с именами адмиралов и датами их смерти, а с наружной стороны в облицовку стен южного и северного фасадов вмонтированы четыре плиты из черного мрамора с именами погребенных адмиралов.