W 1491, w czasie kolejnego napadu tatarskiego, budynek został poważnie uszkodzony, jednak już trzy lata później zakończono jego odbudowę, połączoną z wzniesieniem w najbliższym sąsiedztwie rezydencji biskupiej.
Po ogłoszeniu aktu unii brzeskiej, zainicjowanego m.in. przez prawosławnego biskupa włodzimierskiego i brzeskiego Hipacego Pocieja, katedra we Włodzimierzu przeszła w ręce unitów (diecezja włodzimiersko-brzeska). W 1683 budynek został zniszczony przez pożar. W czasie odbudowy świątynia została znacznie przebudowana: w 1753 jej fasada zachodnia została odrestaurowana w stylu barokowym i na miejscu starszej wzniesiono dwie wieżeA. Dylewski, Ukraina, Pascal, Bielsko-Biała 2005, s. 189. W 1782 na zlecenie biskupa Stefana Symeona Młockiego rozpoczęto budowę ukrytych schodów o masywnych stopniach, co jednak doprowadziło do zawalenia się części sklepienia soboru. Już w 1795 budynek wykorzystywano jako magazyn. Dziesięć lat później zostały podjęte działania na rzecz przywrócenia cerkwi do użytku liturgicznego, jednak dopiero w 1885, po likwidacji unii w Imperium Rosyjskim, podjęto prace nad odnowieniem obiektu. Od 1886 roku prowadzono przebudowę soboru, a rok później bractwo św. Włodzimierza, które działało przy świątyni założyło muzeum.