Варваринская церковь была построена в конце XVIII века. На месте ее находился «казанского вице-губернатора Кудрявцева» загородный дом, из которого, по одному из преданий, в 1779-1780 гг. церковь и была перестроена. На церковном антиминсе стояла дата - 1781 год. Однако, до революции в алтаре хранилось евангелие в серебряном чеканном окладе с надписью об устроении его стараниями местного священника Ильи Федорова в 1764 году.
Варваринская церковь первоначально была построена как холодная (летняя, т.е. не отапливаемая) церковь. Придельным теплым храмом являлся храм во имя Жен Мироносиц, в процессе перестроек превратившийся в придел Варваринской церкви. По преданию, церковь во имя святой великомученицы Варвары была сооружена для нужд Арского кладбища, но когда в 1795 году была построена кладбищенская церковь (во имя Ярославских чудотворцев), Варваринский храм стал самостоятельным приходским. Причем, вплоть до 1818-1819 гг. кладбищенский храм являлся приписным к Варваринскому. Священники Варваринской церкви совершали требы в военном госпитале, приписанном к храму в богослужебном отношении. Варваринская церковь не сохранила в себе ничего старше XIX века из-за неоднократных перестроек. Так, главный храм, созданный еще в традициях классицизма, за ветхостью был разобран и в 1901-1907 гг. сооружен новый, по проекту епархиального архитектора Ф.Н. Малиновского, теперь уже в традициях русского стиля. Перестройка храма производилась на средства самого храма и на пожертвования граждан.
Варваринская церковь в XIX веке находилась еще на окраине города, напротив Сибирской заставы, мост которой был построен в 1806 году по проекту архитектора Шелковникова. На этом мосту встретились возвращавшийся из ссылки Бирон, которому Елизавета Петровна разрешили жить в Ярославле, и Миних, в свое время добившийся ссылки Бирона в Пилим, а ныне сам сосланный туда же. По этому мосту мимо Варваринской церкви в разное время проезжали (и бывали в ней): А.Н.Радищев (1790), А.И.Герцен (1835), Н.Г.Чернышевский (1864), В.Г.Короленко (1884). В Варваринской церкви 2 февраля 1864 года венчались Николай Евгеньевич Баратынский, сын известного поэта Е.А.Баратынского, и Ольга Александровна Казем-Бек, дочь знаменитого востоковеда. 25 апреля 1903 года в этой церкви был крещен Николай Заболоцкий, будущий поэт. На клиросе Варваринской церкви неоднократно пел подросток Федор Шаляпин.
Последним настоятелем Варваринской церкви перед ее закрытием был в период с 1918 по 1930 год - протоиерей Николай Васильевич Петров, профессор Казанской духовной академии и Казанского университета (1914-1918), ректор недолго существовавшего Богословского института (1921-1923). В 1929 году в газете «Красная Татария» появилась статья «Очаг мракобесия в районе трех вузов», где утверждалось, что Варваринский храм, находящийся вблизи сельскохозяйственного и педагогического институтов, посещают всего три-четыре старушки, и ставился вопрос о закрытии храма. Статья послужила поводом для инициирования студенческих собраний в трех институтах с требованием закрыть храм. 16 января 1930 года решением Президиума ЦИК ТССР по представлению НКВД Варваринская церковь была закрыта, храм был передан под клуб рабочих трамвайного парка. Священник Николай Петров был арестован и сослан. В дальнейшем в храме был кинематограф, протезная мастерская, кафедра Казанского технологического института. В конце 1994 года в результате настойчивых требований православных верующих храм был возвращен Православной Церкви.
В церковь были перенесены местночтимые святыни, сохранившиеся в церкви Ярославских чудотворцев - икона великомученицы Варвары (XVIII в.) и икона Жен Мироносиц. К 2000 году в храме проведены значительные реставрационные работы: восстановлены и позолочены купола, установлены кресты, в храме настлан мраморный пол, в трапезной части разобран ветхий потолок, грозивший обрушиться, и реконструирован новый. В настоящее время восстанавливается храмовый иконостас. Восстановление Варваринской церкви связано с именем настоятеля этого храма протоиерея Виталия Тимофеева, сумевшим привлечь к возрождению православной святыни влиятельных благотворителей.
