История храма восходит к середине XVIII века, когда на Отмойном острове, образованном рукавами реки Цны и обводным каналом, была построена деревянная церковь во имя Богоявления Господня с приделом Архангела Михаила. В 1771 году ветхий храм был разобран, а престол перенесён в Казанский летний собор, сооружённый в том же году. Однако вскоре выяснилось, что отведённый под святыню придел оказался слишком мал для нужд прихожан. В связи с этим в 1809 году было принято решение о строительстве нового тёплого каменного храма.
Строительство нового храма началось в 1810 году и завершилось в 1814 году. Проект был разработан губернским архитектором А.А. Трофимовым. Храм был построен в стиле ампир, характерном для начала XIX века. Прямоугольный в плане со скошенными углами, вытянутый с запада на восток объём объединяет собственно храм с алтарной частью и трапезную. Центральная часть алтаря выделена ризалитом. Храм акцентирован двумя притворами, расположенными на поперечной оси, и световым барабаном с луковичной главой. С запада к основному объёму примыкает трёхъярусная колокольня. Здание поставлено на невысокий подклет.
В 1864–1866 годах собор был капитально перестроен и расширен. От первоначального объёма сохранились части восточной и западной стен, превращённые в столбы, южная и северная стены, а также, предположительно, часть светового барабана. В результате перестройки храм приобрёл черты русско-византийского стиля, характерного для "тоновского" направления. Фасады украшены пилястрами и филёнками, а высокие арочные оконные проёмы завершены архивольтами. Интерьер имеет восьмистолпную трёхнефную структуру. Компартименты нефов перекрыты системой крестовых и коробовых сводов, которые разделены между собой подпружными арками. Северный и южный притворы перекрыты цилиндрическими сводами. Купольный световой барабан опирается на четыре столба. Переход от квадратного подкупольного пространства к барабану осуществлён при помощи парусов. Обширный восьмистолпный подклет, в котором расположены калорифер и русская печь, по плану и системе перекрытий аналогичен церкви.
