Деревянный собор построили на деньги, пожалованные князем Дмитрием Пожарским. Главной святыней храма стала Икона Казанской Божией Матери, в честь которой и назвали собор.

В 1630-м произошёл пожар, здание перестроили и освятили при Михаиле Фёдоровиче — первом царе династии Романовых. Строительство и переделки продолжались в течение нескольких столетий: до конца XVII века были возведены различные сооружения, включая парадное крыльцо и колокольню, а в XVIII веке снесли один из приделов и реконструировали торговые ряды таким образом, что с Красной площади собор не было видно. Во время войны с французами в 1812 году главную икону вынесли из храма и спрятали, а алтарь сделали конюшней. Позже, во второй половине XIX века, переделали фасады, создали новый иконостас из серебра и надстроили на колокольне ещё один ярус.

В XX столетии пришедшие к власти большевики закрыли и полностью разобрали Казанский собор, заменив его павильоном, посвящённым III Интернационалу. В 1990-м был заложен первый камень в честь восстановления Казанского собора. Храм полностью воссоздали по чертежам известного реставратора Барановского.

Собор является образцом одноглавого храма с чередой больших и маленьких кокошников и треугольными наличниками. По замечанию историка архитектуры Павла Раппопорта, такая композиция отразила желание зодчих сделать строение нарядным и радостным и стала предвестником русского узорочья.