Первоначально на этом месте в 1750 году была построена деревянная церковь в честь пророка Илии. Инициатором строительства выступил Никита Никитович Демидов, владелец местного железоделательного завода. Храм служил духовным центром для рабочих и жителей поселения.
В 1802 году Пётр Евдокимович Демидов, внук Н. Н. Демидова, начал строительство нового каменного трёхпрестольного храма с каменной колокольней. Главный престол был освящён в честь Казанской иконы Божией Матери, северный — в честь святителя Николая Чудотворца, южный — в честь пророка Илии. Завершение строительства и освящение храма произошло в 1820 году при новом владельце Людиновского и Сукремльского заводов Иване Акимовиче Мальцове.
Архитектурный облик храма сочетал элементы русского барокко и классицизма. Особенностью интерьера являлись хрустальные иконостасы, изготовленные на мальцовских заводах, и уникальная двухъярусная колоннада из чугунных колонн с коринфскими капителями вдоль западной стены. Также храм украшали четыре хрустальные люстры, одна из которых была пятиъярусной и размещалась в центральном куполе.
До 1929 года в городе не было закрытых церквей. Однако 12 марта 1929 года на заседании Людиновского горсовета был поднят вопрос о закрытии Казанской церкви на основании письма рабочих местных заводов. 14 февраля 1930 года, в праздник Сретения Господня, церковь была занята военными. С 1933 года в западной части храма был устроен кинотеатр, отделённый деревянной перегородкой. В 1940 году колокольню разобрали до первого этажа.
Во время оккупации в Великую Отечественную войну по приказу коменданта Бенкендорфа весной 1942 года Казанский собор был открыт, богослужения в нём возобновились. Однако 14 февраля 1943 года восточная часть храма сгорела, после чего была снова закрыта. После освобождения города в 1943 году храм оставался разрушенным и не использовался до 1945 года. В 1945 году в уцелевшей западной части храма перестроили кинотеатр. В результате реконструкции 1955–1957 годов восточная часть храма была разделена на два этажа, оконные проёмы изменены, купольная ротонда и два яруса колокольни снесены. В 1964–1966 годах остатки колокольни были окончательно разобраны, и вместо неё сооружена пустая U-образная стена и пристройка.
22 мая 1994 года жители Людинова провели первый крестный ход на стенах Казанского собора. 16 июня 1999 года здание церкви было возвращено Русской Православной Церкви. В сентябре 2012 года на колокольню водружён новый купол и крест. С 2001 года при соборе начала работу воскресная школа для взрослых.
