Владимир скончался в загородной резиденции Берестове 15 июля 1015 года. Тело князя, обернутое ковром, тайно вывезли ночью и привезли в Киевскую Десятинную церковь, где он и был похоронен; мраморные саркофаги Владимира и его жены стояли посредине храма.
Десятинная церковь была разрушена монголами в 1240 году и под её обломками оказались саркофаги князя Владимира, его жены и других.
Мраморный саркофаг с останками князя Владимира и его жены, византийской принцессы Анны, нашел в Киеве на руинах древней Десятинной церкви митрополит Петр Могила. Находка была сделана случайно. До нас дошли два свидетельства того, как это произошло.
В одну из суббот Петр Могила отслужил там Литургию, а затем пошел осматривать руины Десятинной. Увидев углубление в земле, владыка приказал его раскопать. Согласно версии, изложенной в этом источнике, обнаружили два мраморных саркофага — князя Владимира и его супруги.
На серебряной с позолотой табличке сообщалось, что здесь покоятся князь Владимир, нареченный при крещении Василием, и его жена, византийская принцесса Анна.
О том, что саркофаг был один, написал монах-переписчик книг из Киево-Печерской лавры. Он лично читал документ об этой находке, составленный при Петре Могиле. Этот оригинальный текст был утерян в 1718 году, и лаврский монах воспроизвел его по памяти. Он написал, что это произошло в 1632 году, в более позднем источнике называется другая дата - 1636-й. Кстати, по некоторым данным известно, что сын Владимира Крестителя - князь Ярослав Мудрый тоже был похоронен в одном саркофаге с женой.
Первоначально мощи были положены в церкви Спаса-на-Берестове, а через год торжественно перенесены в Успенский собор Киево-Печерской лавры, где находились в серебряном ковчеге в нише справа от иконостаса. Часть мощей Святитель Петр Могила передал в Свято-Успенский собор Московского Кремля. Гроб с останками, которые, вероятно, принадлежали Владимиру Крестителю, поставили в новом Десятинном храме, в приделе, освященном именем князя.
Большую церковь в 1936 году разобрали на кирпичи, а саркофаг с останками извлекли. Незадолго до нападения гитлеровской Германии на СССР, честную главу отправили в Ленинград, в лабораторию знаменитого антрополога, археолога и скульптора Михаила Герасимова, который создал скульптурные портреты многих исторических личностей по их черепам — князей Ярослава Мудрого и Андрея Боголюбского, царя Ивана Грозного, среднеазиатского завоевателя Тамерлана. Предполагалось, что Герасимов воссоздаст и облик Владимира Крестителя. Однако началась война. М.Герасимова эвакуировали в Узбекистан, в древний город Самарканд. А честная глава князя Владимира исчезла в блокадном Ленинграде и до сих пор не найдена.Во время «перестройки», накануне празднования 1000-летия Крещения Руси, в 1988 году состоялась передача нескольких мощевиков Церкви, в том числе и с частицей честных мощей св. равноапостольного князя Владимира. По благословению Святейшего Патриарха Пимена, этот мощевик был передан Управляющему делами Московской Патриархии, Митрополиту Ростовскому и Новочеркасскому Владимиру (Сабодану), и положен в кафедральный собор Рождества Пресвятой Богородицы Ростова-на-Дону.
Торжественная церемония передачи Русской Православной Церкви священных реликвий состоялась 26 мая 1988 года в Оружейной палате московского Кремля.Накануне дня памяти святого князя Владимира, 24 июля 2005 года, по просьбе Предстоятеля УПЦ Блаженнейшего Владимира, Митрополита Киевского и всея Украины, частица мощей ,а именно кисть руки святого равноапостольного великого князя Владимира возвращена в Украину и покоится в Успенском соборе Свято-Успенской Киево-Печерской Лавры.Сейчас челюсть находится в Храме Христа Спасителя.