Мощи равноапостольного князя были обретены в середине 17 века митрополитом Петром (Могилой) при раскопках Десятинной церкви в Киеве. Они находились в мраморном саркофаге с надписью, удостоверяющей их принадлежность великому князю Владимиру. Первоначально мощи были возложены в церкви Спаса-на-Берестове, а через год торжественно перенесены в Свято-Успенский собор Киево-Печерской лавры, где находились в серебряном ковчеге в нише справа от иконостаса. Часть мощей Святитель Петр передал в Свято-Успенский собор Московского кремля.

После революции мощи хранились в экспозиции лаврского Музея культов и быта. Перед войной известный скульптор-антрополог Михаил Герасимов увез мощи для воссоздания исторического облика князя Владимира в Ленинград, где они во время войны и блокады города бесследно исчезли. Научный коллектив Национального Киево-Печерского историко-культурного заповедника совместно с Украинской Православной Церковью на протяжении многих лет проводит поиски утраченной святыни.

27 июля 2004 года в Свято-Успенском соборе Лавры в месте, где исторически находился ковчег с мощами, были установлены мемориальная доска и икона равноапостольного князя.

В 2005 году, по просьбе Блаженнейшего митрополита Киевского и всея Украины Владимира в Украину была возвращена часть мощей, которая в свое время была подарена Успенскому собору московского кремля. Эти мощи хранились в московских кремлевских музеях, и в 1989 году, во время перестройки, были переданы Управляющему делами Русской Православной Церкви, митрополиту Ростовскому и Новочеркасскому Владимиру (Сабодану), который перевез их в кафедральный собор Ростова-на-Дону.

В Киев 24 июля 2005 года святыню доставил Блаженнейший Владимир, митрополит Киевский и всея Украины.