Храм был построен в 1620-х годах в память о победе над поляками в Московской битве 1612 года. Его нарекли Казанским в честь чудотворной Казанской иконы Божией Матери — главной войсковой святыни Второго народного ополчения. Она была принесена в собор лично князем Пожарским из Введенской церкви на Лубянке.
Первоначально храм был деревянным с двумя приделами. В 1630 году сильнейший пожар сильно повредил его, после чего он был перестроен по образцу Малого собора Донского монастыря. В последующие годы храм неоднократно перестраивался, а в 1936 году здание полностью снесли. И лишь в 1990-1993 годах по инициативе Московского городского отделения Всероссийского общества охраны памятников истории и культуры здание было восстановлено в своих первоначальных формах.
4 ноября 1990 года Святейший Патриарх Алексий II заложил камень в основание собора, а ровно через три года освятил заново возведенный храм. Главный престол собора освящен в честь иконы Божией Матери «Казанская».
В 1990-1993 году по инициативе Московского городского отделения Всероссийского общества охраны памятников истории и культуры храм был восстановлен в своих первоначальных формах. Авторами проекта стали архитектор Олег Журин, один из учеников Петра Барановского, и известный архитектор, историк градостроительства, профессор Российской академии живописи, ваяния и зодчества Геннадий Мокеев.
