Возведение храма началось в 1700 году, когда на месте ранее существовавшей деревянной церкви была построена каменная.Первоначально деревянная церковь упоминается в описи Кирилло-Белозерского монастыря 1668 года и принадлежала монастырю, хотя и находилась за его пределами.
После преобразования подмонастырской слободы в уездный город в 1776 году, Казанская церковь получила статус собора. С увеличением населения возникла необходимость расширения и придания храму более представительного вида. К 1825 году завершилась значительная перестройка собора по проекту коллежского советника Александра Ивановича Старова. В результате этих работ храм приобрел черты классицизма и стал трехпрестольным: главный престол был освящен в честь Казанской иконы Божией Матери, левый — во имя апостола Андрея Первозванного, правый — в честь Боголюбской иконы Божией Матери.
В 1859 году из Санкт-Петербурга были доставлены резные иконостасы, изготовленные по эскизам академика Ф.Г. Солнцева. Иконописец М. Пешехонов выполнил для собора несколько новых икон. Собор стал центральным местом проведения богослужений, венчаний и других церковных обрядов для жителей Кириллова. Перед собором располагалась главная городская площадь, на которой регулярно проводились ярмарки и базары.
В 1930-х годах, в период антирелигиозной политики советского государства, собор был закрыт. В 1935 году колокольня была разрушена, а колокола отправлены на переплавку. Здание храма использовалось в различных хозяйственных целях, включая размещение винного цеха, производства соков и лимонадов. Несмотря на это, территория вокруг собора продолжала оставаться центром общественной жизни города: до 1960-х годов здесь проводились ярмарки и базары.
В 1991 году по благословению архиепископа Вологодского и Великоустюжского Михаила был открыт приход во имя Казанской Божией Матери. Однако в 1999 году приход был вновь закрыт. В период с 2005 по 2008 годы под руководством главного архитектора С.Б. Куликова были проведены реставрационные работы, направленные на сохранение и восстановление архитектурного облика собора. В 2007 году была разработана научно-проектная документация для дальнейшей реставрации.
1 сентября 2014 года указом митрополита Вологодского и Великоустюжского Игнатия был вновь образован православный приход храма Казанской иконы Божией Матери. 13 сентября 2014 года в соборе прошло первое после длительного перерыва богослужение. В ноябре 2018 года собор официально перешел в собственность Русской Православной Церкви и получил статус памятника архитектуры регионального значения.
