Кафедральный собор Казанской иконы Божией Матери в Северобайкальске был основан в связи с возрождением православной жизни на севере Байкала. В 1987 году в городе, образованном в 1974 году при строительстве Байкало-Амурской магистрали, была зарегистрирована православная община во имя святого праведного Иоанна Кронштадтского. Первоначально община не имела храма, и богослужения совершались в различных помещениях, включая квартиры верующих.
В 1990 году стало известно, что у жительницы Северобайкальска Евдокии Семушевой хранится Казанская икона Божией Матери, спасенная ею в 1930 году из разрушенного храма в поселке Кумора. Образ стал центром молитвенной жизни общины. В 1994 году приход был перерегистрирован в честь Казанской иконы Божией Матери, что определило дальнейшее название храма.
Строительство собора началось в 1995 году после выделения земельного участка и освящения креста на месте будущего храма. В 1998 году Казанская икона была перенесена во временный храм, а в 2008 году в новом здании начались регулярные богослужения. Официальный ввод в эксплуатацию состоялся в 2009 году.
В 2016 году храму был присвоен статус кафедрального собора в связи с образованием Северобайкальской епархии. В 2017 году на территории собора началось строительство духовно-просветительского центра «Преображение», который был открыт в 2022 году.
Архитектурный облик собора соответствует традициям русского церковного зодчества. Престольный праздник отмечается 4 ноября в день Казанской иконы Божией Матери. В этот день совершается крестный ход по улицам города.