Белокаменную двухэтажную церковь построили в 1789 году в псевдоготическом стиле.
Поскольку этот стиль связан с именем Баженова (тем самым, который возвел знаменитый Пашков дом в Москве), то и авторство проекта Владимирской церкви в Быково тоже присваивается ему. Однако сейчас это оспаривается специалистами.
Изначально церковь была одноэтажной и деревянной, но с переходом имения и церкви в руки московского губернатора Измайлова храм было решено видоизменить. Был надстроен второй этаж, названный в честь Владимирской иконы Божией Матери. Таким образом, в одном здании находится сразу две церкви.
Главная особенность верхнего храма заключается в том, что в его оформлении использовался искусственный мрамор. Рецептура его была утеряна, но современным мастерам удалось восстановить состав бело-розового камня, который трудно отличить от подлинника.
В 1830-е годы рядом с церковью построили колокольню, выдержанную в том же псевдоготическом стиле.
В 1937 года церковь была закрыта и разорена, все книги сожжены, а церковная утварь разграблена или уничтожена. Позднее в здании расположилось швейный цех, а затем склад.
Владимирская церковь была открыта для богослужения только в 1989 году, тогда же ее начали реставрировать.