Церковь была построена в 1762—1766 гг. по заказу гардеробмейстера Екатерины II Василия Шкурина — владельца имения «Дылицы». Автором проекта предположительно является известный архитектор XVIII в. С. И. Чевакинский, также построивший домовый храм Екатерининского дворца и Никольский морской собор.

С момента постройки была центральной церковью Дылицкого прихода. Возле храма было устроено небольшое кладбище для членов семьи владельцев усадьбы и причта.

В 1852 г. имение перешло в руки князьям Трубецким, которые владели им до самой революции 1917 г. Владимирская церковь стала их фамильной усыпальницей.

Здание ни разу серьёзно не перестраивали. Крупные и мелкие ремонты в ней проводились в период с 1809 по 1920 г., но они не меняли её облик.

С 1933 г. церковь не действовала, богослужения в ней были прекращены в 1940 г., а в 1941-м её закрыли. Во время Великой Отечественной войны храм сильно пострадал от обстрелов: снаряды разрушили купол и шпиль на колокольне, подверглась разрушению кровля над основным сводом. Склепы с захоронениями членов семьи Трубецких в 1950-х гг. были взломаны, надгробные плиты разбиты.

Церковь постепенно ветшала, пока не дошла до аварийного состояния.

В ноябре 2020 г. Гатчинская епархия приняла решение о принятии к себе на баланс здания этого уникального памятника федерального значения и о начале работ по его восстановлению, которым предшествовали проведённые противоаварийные и консервационные работы.