Строительство храма было инициировано владельцем усадьбы Глебово, майором и кавалером Степаном Степановичем Шиловским. Согласно архивным данным, строительство велось в период с 1856 по 1859 годы. Проект храма был выполнен по образцовому проекту архитектора Константина Андреевича Тона, известного своими работами в русско-византийском стиле. Прообразом для глебовского храма послужила церковь Благовещения Пресвятой Богородицы лейб-гвардии Конного полка в Санкт-Петербурге, созданная Тоном в 1844–1849 годах.
Архитектурно Казанский храм представляет собой пятишатровый четырёхстолпный храм на высоком цоколе с подвалом, предназначенным для склепа семьи Шиловских. Храм завершается массивным световым восьмериком и угловыми башнями-звонницами. Такая композиция придаёт зданию живописность и своеобразие, отражая дух романтизма, характерный для русской архитектуры того периода.
Внутреннее убранство храма отличалось богатством и изяществом. Полы были выполнены из белого мрамора, а деревянный позолоченный иконостас включал почитаемый образ Казанской иконы Божией Матери в серебряном окладе с позолотой и драгоценными камнями. Однако после революции 1917 года эта ценная икона бесследно исчезла.
Семья Шиловских активно способствовала развитию культурной жизни в усадьбе Глебово. Жена Степана Степановича, Мария Васильевна Шиловская, известная певица, принимала у себя многих деятелей искусства. В усадьбе бывали такие композиторы, как Пётр Ильич Чайковский и Модест Петрович Мусоргский. Чайковский работал здесь над оперой «Евгений Онегин» и балетом «Лебединое озеро». Александр Павлович Чехов называл поместье «маленьким Версалем», отмечая его красоту и уют.
В 1938 году храм был закрыт, а последний священник, Алексий Смирнов, был арестован и расстрелян на Бутовском полигоне. В 2002 году он был канонизирован и включён в Собор новомучеников и исповедников Российских. После закрытия храм находился в запустении и постепенно разрушался. В 1989–1990 годах Глебовская птицефабрика начала работы по реконструкции здания, но они не были завершены.
В 1998 году храм был передан верующим, и начался процесс его восстановления. В 2003 году были возобновлены регулярные богослужения, а 4 ноября того же года, в престольный праздник, был отслужен первый молебен. В 2004 году состоялась первая за последние 70 лет Божественная литургия. В 2007 году над святым источником, расположенным в 700 метрах от храма, была воздвигнута часовня-купальня в честь Казанской иконы Божией Матери. Потомки храмоздателя, семья известного актёра и режиссёра В.Н. Шиловского, принимали активное участие в возрождении храма. В начале 2007 года на храмовую звонницу были установлены 9 колоколов весом от 8 до 700 кг, а в феврале 2008 года был установлен большой колокол «Благовест» весом 1200 кг.
