История собора начинается в 1843 году, когда 22 июня было отведено место под строительство нового храма на восточной оконечности Крепостной горы. 8 июля того же года состоялась торжественная церемония закладки храма, которую возглавил епископ Кавказский и Черноморский Иеремия (Соловьёв). Строительство завершилось в 1847 году, и 22 октября того же года храм был освящён и получил статус кафедрального.
В период с 1858 по 1873 годы к западу от собора была построена четырёхъярусная колокольня высотой 98 метров по индивидуальному проекту ставропольского архитектора Павла Воскресенского. В цокольном этаже собора были захоронены уважаемые жители города.
Несмотря на то, что собор и колокольня подлежали охране как архитектурные ценности, в 1930-х годах они были разрушены. Колокольня сначала использовалась как радиомачта, затем как парашютная вышка, а в мае 1943 года была взорвана под предлогом защиты от налётов немецкой авиации.
В конце XX века было принято решение о восстановлении храмового комплекса. 31 января 1991 года территория Крепостной горы была объявлена заповедной. В 1992 году было принято решение о необходимости воссоздания Казанского кафедрального собора и соборной колокольни. В начале 2004 года начались подготовительные работы по воссозданию комплекса. 27 сентября того же года состоялась закладка воссоздаваемого храма, а 4 апреля 2010 года, на Пасху, в соборе прошла первая служба.
13 декабря 2012 года состоялось великое освящение Казанского собора, после чего ему был присвоен статус кафедрального. В июле 2015 года рядом с собором был установлен бронзовый памятник императору Николаю I в честь 190-летия его восшествия на престол. 25 апреля 2019 года завершилось строительство колокольни собора, высота которой вместе с крестом составляет 78 метров.
Архитектурный облик собора выполнен в традиционном русском стиле с элементами классицизма. Здание имеет крестообразную форму, увенчанную центральным куполом и четырьмя малыми куполами по углам. Колокольня расположена отдельно от основного здания. Внутреннее убранство включает иконостас, выполненный в традиционном стиле, с иконами, написанными в соответствии с каноническими требованиями.
