История храма восходит к концу XIV века, когда на высоком берегу Волги была основана Великовражская мужская пустынь, являвшаяся подворьем Московского Симонова монастыря. В 1550 году, во время второго похода на Казань, пустынь посетил царь Иван Грозный, оставивший в дар икону святителя Николая. В 1628 году царь Михаил Фёдорович пожаловал монастырю икону Казанской Божией Матери, в нижней части киота которой было изображено «Избавление Москвы от поляков в 1612 году», выражавшее признательность нижегородцам за участие в событиях Смутного времени.
В результате церковных реформ Петра I Великовражская пустынь была упразднена: в 1723 году епископ Нижегородский и Алатырский Питирим причислил её к Нижегородскому Духовому домому архиерейскому монастырю, а в 1724 году храмы пустыни были преобразованы в приходские. В 1764 году на месте бывшей пустыни был образован приход.
В 1777 году сильный пожар уничтожил все монастырские постройки и церкви. Лишь в 1788 году прихожане построили на месте монастыря небольшой деревянный храм с одним престолом, освящённым во имя святителя Тихона Амафунтского Чудотворца. В 1792 году был возведён ныне существующий деревянный храм в честь Казанской иконы Божией Матери. В 1864 году к нему был пристроен тёплый придел, освящённый во имя святителя Николая Мир Ликийского Чудотворца.
Архитектурно храм представляет собой пятиглавое деревянное сооружение, обшитое тёсом, выполненное в традиционном для русского деревянного зодчества стиле «восьмерик на четверике». С западной стороны к церкви примыкает небольшая трапезная, над которой возвышается шатровая колокольня.
В 1902—1903 годах храм посетил Иоанн Кронштадтский, совершивший здесь богослужение. В 1937 году, в период антирелигиозной политики советской власти, настоятель храма был репрессирован, а сам храм закрыт. Однако здание не подверглось разрушению. Во время Великой Отечественной войны, на Пасху 1944 года, богослужения в храме были возобновлены.
