Казанская церковь с трапезной палатой в Николо-Шартомском монастыре была возведена в 1678 году. Храм построен из кирпича в архитектурных традициях XVII века. Первоначально здание состояло из четверика основного храма и трапезной части. Впоследствии трапезная была разделена на три помещения, в южном из которых устроен придел во имя святителя Григория Акрагантийского.
Архитектурная композиция включает подклетный этаж, на котором возведен основной объем. Четверик перекрыт коробовым сводом с торцовыми лопатками и увенчан главой. Трехапсидный алтарь и трапезная по высоте вдвое ниже основного объема. Своды трапезной крестовые, опираются на центральный столб. Вход осуществляется через северное крыльцо и перестроенное гульбище.
В 1858 году проводилось обновление храмовой росписи. В 2009 году под руководством палехских мастеров выполнены реставрационные работы интерьера и внешнего декора. Фасадный декор отличается сдержанностью: пилястры-лопатки соответствуют конструктивным элементам, окна четверика и апсид полуциркульные без наличников, тогда как окна трапезной и придела украшены фигурными наличниками.
Храм является частью архитектурного ансамбля Николо-Шартомского монастыря, расположенного на берегу реки Молохты. Монастырь впервые упоминается в документах 1425 года, когда его архимандрит Конон подписал духовную грамоту нижегородской княгини Марии. В XVII веке обитель получила царские жалованные грамоты от Василия III, Ивана IV и Федора Иоанновича.
В 1649 году монастырь полностью сгорел, после чего началось каменное строительство. Никольский собор был возведен в 1651 году, Казанская церковь - в 1678 году. Архитектурный ансамбль формировался на протяжении XVII-XIX веков. В 1960 году комплекс получил статус памятника федерального значения. Богослужебная жизнь возобновлена в 1990 году.