В декабре 1920 года в Севастополе окончательно установилась советская власть. 17 ноября 1922 года Управление Севастопольского окружного исполкома зарегистрировало православную общину (40 человек), которая, заключив договор, взяла в бесплатное пользование собор Святого Владимира на улице Соборной. Договором членам общины предписывалось не допускать в богослужебных заведениях: «политических собраний враждебного советской власти направления; раздачи или продажи книг, листовок или посланий, направленных против советской власти; произнесение проповедей или речей, враждебных советской власти; совершение набатных тревог для созыва населения в целях возбуждения его против советской власти».
В конце 1922 года в православную общину собора входил 221 человек, а в 1923 году – 332. Однако, продолжая оставаться культовым учреждением, собор не вписывался в общепринятую в тот период схему жизни. Государственная политика воинствующего атеизма изменила отношение людей к религии и Церкви. В соборе Святого Владимира неоднократно в эти годы происходили кражи церковного имущества, случались драки, разбой и хулиганство.
В 1932 году договор с религиозной общиной на использование Владимирского собора был расторгнут. Храм был закрыт, а церковное имущество передано в Госхран. Потом собор был отдан авиационному спортивному обществу под мастерские, а позже отведен под склад. В период обороны Севастополя 1941–1942 годов в соборе размещались госпиталь, бомбоубежище и даже корректировочный пост 1-го гвардейского отдельного артдивизиона. Храм очень пострадал во время бомбежек и обстрелов города. После освобождения города в 1944 году в храме еще долгое время хранилась литература Политуправления Черноморского флота, газетная бумага для типографии…
Более трех десятилетий (1854–1888) шло возведение храма Святого Владимира, неповторимого по архитектуре и внутреннему убранству, и почти столько же времени (1932–1965) собор подвергался разрушению или пребывал в полном забвении. Могилы адмиралов, похороненных в соборе, не раз подвергались глумлениям и мародерству.
Вопрос о восстановлении собора решился в 1965 году. В 1967 году приступили к работам. 23 июня 1973 года собор Святого Владимира решением Севастопольского горисполкома был передан Музею героической обороны и освобождения Севастополя, стал его филиалом. 31 января 1988 года при прокладке траншеи для кабеля в 1,5 м от стен собора обнаружили немецкую авиабомбу весом до 100 кг. Бомба упала рядом с храмом, но не взорвалась, пролежав в центре густонаселенного района более 40 лет.