В 1733-1737 гг. на Невском проспекте начала строится церковь Рождества Богородицы. При окончании строительства церковь получила такой же шпиль, как и Петропавловский собор, а также новый храм стал местом хранения чудотворной иконы Казанской Божьей Матери, которая была покровительницей дома Романовых. К концу 18-го было принято решение о строительстве нового величественного собора, который бы соответствовал своим внешним видом важности хранимой в нем иконы. Павел I отдал распоряжение о том, чтобы храм строился по образцу собора св. Петра в Риме, в результате чего был проведен конкурс на лучший проект, но победитель так и не был избран. В конце концов, в 1800 году знаменитый русский архитектор Воронихин А.Н. был избран руководителем проекта.

При проектировании собора Воронихин столкнулся с рядом проблем. Главный вход православных храмов должен быть расположен на западной стороне, а алтарь, соответственно, на востоке. В результате, на Невский проспект Казанский собор повернулся своим северным фасадом. Также по замыслу государя должно было воздвигнуться нечто грандиозное, но при этом учесть все нюансы церковного строительства и внешнего вида храма. В Риме собор св. Петра имеет перед главным входом колоннаду, а здесь же колоннада оформила боковой фасад, который выходит на Невский проспект. В проекции собор имеет форму вытянутого латинского креста и имеет три входа.
Все входы в Казанский собор украшают шестиколонные портики с барельефом «Всевидящее око». Опоясывает собор сверху массивный аттик. Собор и колоннада облицованы светло-желтым пудожским камнем. Купол, собранный из железа и сверху покрытый белой жестью, расположили на барабане, который украсили пилястрами. Также собор очень щедро украшен скульптурами и барельефами таких мастеров, как И.П. Мартос, С.С. Пименов, И.П. Прокофьев и др.

Строительство храма продолжалось с 1801 -1811 года. При торжественном освящении собора  была внесена в него икона Казанской Божьей матери, а спустя некоторое время, собор стал святыней славы русских солдат во время Отечественной войны 1812 года. В храме хранились штандарты, знамена, ключи от взятых городов и другие военные трофеи.
После Октябрьской революции здесь был открыт Музей истории и атеизма, а в 1999 году Казанский собор вновь превратился в Кафедральный Собор.