Строительство храма началось в 1752 году на месте сгоревшей в 1751 году деревянной церкви во имя Сергия Радонежского.При расчистке места пожара была обнаружена Казанская икона Божией Матери, оставшаяся неповреждённой, что послужило основанием для возведения нового каменного храма.
Инициатором строительства выступил епископ Белгородский и Обоянский Иоасаф, который лично освятил место и заложил первый камень в основание храма. Финансирование осуществлялось за счёт пожертвований прихожан, среди которых значительную роль сыграл купец Карп Ефремович Первышев. Подрядчиком строительства был курский купец Исидор Иванович Мошнин; после его смерти в 1762 году работы продолжила его вдова Агафья Фатьяновна.
Архитектурный проект храма выполнен в стиле елизаветинского барокко. Собор представляет собой двухэтажное здание с нижним храмом во имя преподобного Сергия Радонежского, освящённым в 1762 году, и верхним храмом в честь Казанской иконы Божией Матери, освящённым в 1778 году. Верхний храм украшен резным позолоченным иконостасом высотой 18 метров, выполненным неизвестными мастерами.
В 1833 году, после переноса архиерейской кафедры из Белгорода в Курск, храм получил статус кафедрального собора. В 1837 году к колокольне была пристроена лестничная клетка в стиле ампир по проекту архитектора Грознова, что несколько изменило первоначальный облик здания.
В начале XX века под руководством архитектора Ф.Ф. Горностаева была проведена реставрация собора. В 1934 году храм был закрыт, и его помещения использовались под различные учреждения, включая картинную галерею и антирелигиозный музей. Во время Великой Отечественной войны здание собора не пострадало, и после войны богослужения в нём были возобновлены.
В середине XX века храмы собора были переосвящены: верхний храм был освящён во имя преподобного Сергия Радонежского, а нижний — в честь Казанской иконы Божией Матери. В 2004 году на территории собора была построена часовня к 250-летию со дня рождения преподобного Серафима Саровского.
