Казанский кафедральный собор в Феодосии был основан как подворье Топловского Свято-Троице-Параскевиевского монастыря. В 1887 году староста Казанского собора в Санкт-Петербурге граф Николай Фёдорович Гейден передал свою дачу «Кафа» монастырю для устройства церкви во имя Казанской иконы Божией Матери и начальной школы для девочек. 24 февраля 1890 года Священный Синод утвердил это дарение.
В 1890 году на подворье была установлена переносная деревянная церковь, освящённая в честь великомученика Пантелеимона. В 1907 году началось строительство каменного собора по проекту архитектора Генриха Кейля в русско-византийском стиле. Освящение состоялось в 1911 году при участии епископа Таврического и Симферопольского Феофана.
В 1919 году собор был разграблен, многие святыни утрачены. В начале Великой Отечественной войны на территории размещался пункт сбора военнопленных. В 1943 году храм был открыт для богослужений румынских военных. После освобождения Феодосии в апреле 1944 года в соборе возобновились регулярные богослужения.
В 1950-1960-х годах проводились работы по обновлению храма, включая художественные росписи. В 2004 году восстановлена традиция крестных ходов с Казанской иконой Божией Матери из Топловского монастыря. В 2011 году, к столетию собора, проведена реконструкция, укреплён фундамент ограды.
Собор выполнен в русско-византийском стиле с элементами византийской архитектуры. Купол оформлен в виде шлема русского воина. Внутреннее убранство включает росписи с евангельскими сюжетами и богатый иконостас. С 2010-х годов собор является кафедральным храмом Феодосийско-Керченской епархии.