Первоначально, в 1699 году, на этом месте была построена деревянная церковь, освященная во имя святого великомученика Димитрия Солунского. К 1738 году, вследствие ветхости деревянного строения, было принято решение о возведении нового двухэтажного храма. Верхний этаж был посвящен Казанской иконе Божией Матери, а нижний — святому великомученику Димитрию Солунскому.
С 1865 по 1871 годы на средства местных купцов Новичкова, Швецова и Тихомирова было построено нынешнее каменное здание храма. Значительный вклад в финансирование строительства внес купец О. А. Тургенев, пожертвовавший более половины из двадцати тысяч рублей, необходимых для возведения пятиглавого каменного сооружения. Активное участие в сборе средств и организации строительства принимал священник А. Н. Магнусов.
Архитектурно храм представляет собой пятиглавое каменное здание с колокольней. Внутреннее убранство включало позолоченный иконостас и иконы в позолоченных окладах. Храм был устроен как двухпрестольный: главный престол в честь Казанской иконы Божией Матери и придельный — во имя пророка Божия Илии.
К 1912 году в штате храма числились два священника, диакон и два псаломщика. Приход включал три церковно-приходские школы: одну в Петровске и две в приписных хуторах Зотово и Сорокино.
В 1920-х годах, в период советской власти, храм был закрыт, однако здание не подверглось разрушению. 9 июля 1944 года храм был вновь освящен и открыт для богослужений, после чего более не закрывался.
