Первоначально на месте храма находилась церковь во имя святителя Николая Чудотворца, построенная практически одновременно с основанием Самарской крепости. В 1744 году рядом с ней была возведена новая церковь во имя Казанской иконы Божией Матери, а Никольский храм стал её северным приделом. С 1787 по 1851 год Казанская церковь исполняла функции главного городского собора. В 1851 году, с образованием Самарской епархии, кафедральный статус был передан Вознесенскому храму, однако Казанская церковь продолжала оставаться почитаемой городской святыней.
Архитектурный облик храма формировался на протяжении нескольких десятилетий. Первоначально он был построен в стиле «восьмерик на четверике» и обнесён деревянной оградой. В 1835 году была значительно расширена трапезная, а придел во имя святителя Николая удлинён к западу, в результате чего колокольня вошла в состав церковного здания. В 1856 году колокольня была перестроена, получив дополнительный ярус и восьмериковую звонницу. В 1864–1867 годах был построен правый придел храма, освящённый в честь Сретения Господня. К 150-летнему юбилею в 1894 году в храме был устроен новый иконостас, а также обновлено внутреннее убранство.
После установления советской власти храм был закрыт в 1920-х годах. Здание использовалось под мастерские, а в 1950-х годах было уничтожено. На его месте были возведены производственные здания завода клапанов.
