Первоначально на этом месте в 1711 году была возведена деревянная церковь, построенная казанскими купцами. Однако в 1766 году она сгорела. В связи с этим было принято решение о строительстве нового каменного храма в стиле барокко. 6 июля 1770 года был освящён придел во имя святого Николая Чудотворца, а полностью храм был освящён 7 июля 1776 года.
В период с 1840 по 1850 годы храм подвергся значительной перестройке. В результате этих работ первоначальная архитектурная композиция изменилась: сохранилась только колокольня, а другие части храма приобрели черты, характерные для русско-византийского стиля середины XIX века. В 1901 году была проведена очередная реконструкция, детали которой не сохранились в доступных источниках.
В советский период, когда многие религиозные учреждения подвергались закрытию, Казанская церковь в Павловске также была закрыта. Здание использовалось не по прямому назначению, что привело к утрате части внутреннего убранства и архитектурных элементов. В 2003 году храм был возвращён Русской Православной Церкви, после чего начались работы по его восстановлению и реставрации.
В настоящее время церковь Казанской иконы Божией Матери в Павловске является действующим храмом, относящимся к Павловскому благочинию Россошанской епархии Русской Православной Церкви. Главный престол храма освящён в честь Казанской иконы Божией Матери. Архитектурный облик храма сочетает в себе элементы барокко и русско-византийского стиля, отражая различные этапы его исторического развития.