Вероятно эта церковь упомянута в описи Кирилло-Белозерского монастыря за 1668 год. Храм принадлежал монастырю, но находился рядом, вне монастырских стен. Церковь деревянная с колокольней, построена на пожертвования жителей монастырской слободы.

В 1700 году построена новая полукаменная церковь, которая в это время стала приходской. В 1776 году подмонастырская слобода преобразована в уездный город, казанская церковь обращена в собор.

В 1820-1825 годах перестройка и отделка Казанского собора, сделанная по проекту коллежского советника Александра Ивановича Старова. К церкви пристроено новое кирпичное здание с тремя престолами. Главный престол храма освящен в честь Казанской иконы Божией Матери. Придел слева (?) Боголюбской иконы Божией Матери (раньше был в честь апостола и евангелиста Иоанна Богослова), придел справа (?) апостола Андрея Первозванного (На сайте прихода информация о приделах разная). Приделы отапливались. Из старых образов для новых иконостасов сохранили особо чтимые с изображениями преподобного Кирилла Белозерского и Казанской иконы Божией Матери. В 1859 году из Петербурга были привезены резные иконостасы, изготовленные по рисункам академика Ф. Г. Солнцева. Там же были заказаны и новые образа, которые выполнил "иконописец двора Его Императорского Величества" М. Пешехонов.

В 1930-х годах храм закрыт. В 1935 году разрушена колокольня до первого яруса, была трёхярусная под шпилем. Здание храма использовалось под склад, позже винное производство, в алтаре склад сахара, находилась в храме и химическая лаборатория.

22 августа 1991 года по благословению управляющего Вологодской епархии архиепископа Вологодского и Великоустюжского Михаила (Мудьюгина) был открыт приход во имя Казанской Божией Матери. По просьбе верующих винно-водочный цех выехал из Казанского собора. 20 ноября 1999 года по благословению епископа Вологодского и Великоустюжского Максимилиана (Лазаренко) приход во имя Казанской Божией Матери был закрыт.

В 2005-2008 годах были проводились попытки реставрации храма. Здание церкви укрыли рубероидом. Но из за отсутствия финансирования, работы прекратились.

1 сентября 2014 года указом митрополита Вологодского и Великоустюжского Игнатия (Депутатова) вновь образован православный приход храма Казанской иконы Божией Матери.

13 сентября 2014 года в соборе прошло первое богослужение.