W XIX wieku podejmowana była kilkakrotnie próba zabezpieczenia odnalezionych śladów po pierwszym soborze w Owruczu, w 1860 doszło do zbiórki pieniędzy na ten cel. Ostatecznie jednak w 1876 na miejscu cerkwi wzniesiono jedynie kaplicę, zaś resztki fundamentów i murów soboru wzniesionego przez Włodzimierza Wielkiego prowizorycznie osłonięto. Dopiero w 1903 Imperatorska Komisja Archeologiczna ponownie zainteresowała się obiektem, zaś w roku następnym arcybiskup wołyński i żytomierski Antoni (Chrapowicki) wystąpił z koncepcją odbudowy soboru w jego pierwotnym kształcie. Projekt nowej cerkwi, w której mury włączono zachowane fragmenty, przygotowali architekci Szczusiew i Pokryszkin. Budynek wzniesiono z cegły wykonanej na wzór tej używanej w czasach Rusi Kijowskiej. W jego wnętrzu wykonane zostały freski wzorowane na tych zachowanych w cerkwiach Nowogrodu Wielkiego – ich autorem był malarz Błaznow. Również ikonostas i panikadiło naśladowały stylistycznie sztukę staroruską. Uroczyste poświęcenie gotowego soboru miało miejsce 3 września 1911.