В этом огромном, полукругом распластанном соборе с могучей коринфской колоннадой и величественным куполом хранилась самая чтимая в столице икона — Казанской Божией Матери, перед которой преклоняли колени и царь, и гордый вельможа, и скромный простолюдин. Из многих списков чудотворного образа только петербургский и московский пользовались известностью во всей Империи.

Датируемая концом XVI века икона появилась в Петербурге в 1710 году; ее, вероятно, привезла из Москвы царица Параскева Феодоровна. Вначале икона была помещена в "небольшой светличке" — деревянной часовне у Невки, на Посадской улице Городового острова (позже Петроградская сторона), где тогда находился центр новой столицы. Через два года в часовне была установлена полотняная церковь во имя Рождества Пресвятой Богородицы, которую по иконе часто называли Казанской. Со временем часовня обветшала, и в 1727 ее закрыли, перенеся утварь и образа в Троицкий собор близ Петропавловской крепости. Местная икона уже в те годы считалась чудотворной.

По проекту М. Г. Земцова 6.IХ.1733 на Невском была заложена каменная придворная церковь Рождества Богородицы с деревянным куполом и стройной колокольней над входом. Ее освятили З.VII.1737 в присутствии Императрицы Анны Иоанновны, которая днем раньше сопровождала пешком чудотворный образ, переносимый в храм. Живописное убранство в храме исполнили художники Канцелярии от строений, скульптурное — мастер И. Геринг, иконы написали И. П. Горскин и Г. И. Мелентьев.

Уже в конце XVIII века церковь на главной улице Петербурга, выдержанная в скромном барочном стиле и наименованная при Императрице Елизавете собором, стала казаться чересчур невзрачной для растущей и все более украшаемой столицы. В конце XVIII века Д. Кваренги и Н. А. Львов работали над проектом нового собора, но он, однако, остался на бумаге.

В 1799 Император Павел I провел конкурс на проект Казанского собора, потребовав, чтобы новый храм напоминал римский собор св. Петра. В конкурсе приняли участие П. Гонзаго, Ч. Камерон, Ж. Тома де Томон, однако результатов он так и не дал. Год спустя строительство было поручено сорокалетнему архитектору А. Н. Воронихину, который происходил из крепостных графа А. С. Строганова, известного мецената и президента Академии художеств.

27.VIII.1801 Александр I заложил трехпридельный храм, который возводился целое десятилетие и обошелся казне в 4,7 млн. руб. Его освящение в высочайшем присутствии совершил 15.IХ.1811 митрополит Амвросий.

Законченный перед началом Отечественной войны с Наполеоном, собор стал своеобразным ей памятником, особенно после того как в 1813 в его левом приделе был погребен фельдмаршал кн. М. И. Кутузов-Смоленский. Внутри храма были развешены захваченные у французов знамена, штандарты и ключи от взятых городов, а в 1837 у Невского проспекта торжественно открыты памятники Кутузову и Барклаю, отлитые по модели Б. И. Орловского.

Фасады собора облицованы серым пудожским камнем и обильно украшены рельефами и статуями. Их исполнили ведущие мастера ампира: рельефы — И. П. Мартос, И. П. Прокофьев, Ф. Г. Гордеев, статуи — С. С. Пименов, Мартос, В. И. Демуг-Мали-новский, но не все из задуманного удалось осуществить. Огромные северные врата собора отлиты из бронзы по образцу знаменитых "райских дверей" XV века во флорентийском баптистерии. Из барельефов в интерьере уже в прошлом веке уцелели всего два: "Несение креста" Ф. Ф. Щедрина и "Взятие под стражу" Ж. Рашетта.

Сейчас от богатейшей внутренней отделки храма осталось не так много, хотя по-прежнему великолепные 56 колонн из розового финского гранита с золочеными коринфскими капителями и базами эффектно оформляют интерьер, создавая ощущение величия и простора. Все лепное убранство исполнили Ф. Торичелли и Б. Медичи; резчики А. Леблон и Ф. Кретьен вырезали иконостасы, алебастровые фигуры в которых сделали Мартос, Щедрин и Прокофьев. Образа были поручены видным академикам: В. К. Шебуеву, А. Е. Егорову, А. И. Иванову, Ф. П. Брюлло, С. С. Пекину, О. А. Кипренскому и др. (большинство ныне хранится в Русском музее).

Царские врата отлил из серебра П. Теннер, иконы в них принадлежали кисти В.Л. Боровиковского, который написал также образ свв. Константина и Елены. Известный бронзовщик П. Ажи изготовил символы Веры, Надежды и Любови, укрепленные под куполом, а Ж. Герен — огромное, в 180 свечей, паникадило. Ко дню освящения чудотворный образ Казанской Божией Матери был украшен богатейшей ризой из чистого золота с драгоценными камнями и жемчугом.После изгнания французов из России донской атаман гр. М.И. Платов прислал собору 40 пудов отнятого у них трофейного серебра. Архитектор К. А. Тон использовал это серебро в 1834 для облицовки главного иконостаса (через сорок лет то же сделали в приделах). В том же году Император Николай I заказал академикам Ф. А. Бруни, П. В. Басину и К. П. Брюллову большие запрестольные образа в резных золоченых рамах. В 1884 по эскизу арх. Н. В. Набокова ювелир О. Я. Соколов из 11 пудов серебра сделал для соборной плащаницы великолепную гробницу, а шесть лет спустя — чеканные серебряные хоругви.

В 1903 прихожане задумали воздвигнуть у собора огромную колокольню, но осуществить этот проект не удалось из-за возражений Академии художеств. К столетию храма был проведен большой реставрационный ремонт, которым руководили епархиальный зодчий А. П. Аплаксин, А. А. Парланд и художник Э. К. Липгарт. Живопись подновили М. С. Судковский и Н. А. Бруни.

Кроме чудотворного образа, стоявшего в особом киоте слева от царских врат, почитанием у верующих пользовались и некоторые старинные иконы: Спасителя в иконостасе, свт. Николая и Ченстоховской Божией Матери, подаренной Кутузовым. По проекту Н. Н. Никонова в 1891 в соборе была устроена, по примеру других храмов, Голгофа с частицей Живоносного Гроба. Другая частица находилась в иконе Воскресения, которую прислал в 1906 иерусалимский патриарх Дамиан.

В соборе было много превосходных изделий из серебра: ризы на иконах, предалтарная балюстрада, кадило 1644 года, подаренная Анной Иоанновной дарохранительница, венцы, в которых венчался с супругой вел. кн. Павел Петрович, священные сосуды, сделанные в Париже по заказу Александра I, оклад напрестольного Евангелия, изготовленный в 1787 по рисунку И. и А. И. Вольских, а также старинный крест XVII века с частицами св. мощей. К освящению председатель строительной комиссии гр. А. А. Строганов поднес замечательную дарохранительницу из уральских и сибирских самоцветов, украшенную бронзовыми фигурами и иконами, написанными на финифти Д. И. Евреиновым. Тогда же от Императрицы Марии Феодоровны поступил золотой потир со вставками из алмазов и рубинов.

Рядом с царским местом, сделанным из финского гранита, под стеклом висело послание Синода об убийстве Александра II, а на соседней колонне— манифест 1815 года о Священном союзе. У входа находились памятные каменные доски об освящении собора и барельефы Павла I и Александра I. Снаружи, на алтарной стене, помещался образ Казанской Божией Матери, написанный в 1865 акад. И. А. Тюриным.

Начиная с 1743 ежегодно, 30 августа, из Казанского собора по Невскому к Александро-Невской лавре шел самый торжественный в столице крестный ход, в котором поначалу участвовали Государи и кавалеры ордена св. Александра Невского (позднее он начинался от Исаакиевского собора). Этот день в Петербурге считался выходным. 4 апреля крестный ход направлялся к часовне у Летнего сада в память о том, что Александр II после покушения Каракозова прибыл помолиться в собор перед образом Заступницы Небесной. С ее иконой 4 июля верующие шли к Успенскому храму на Сенной площади, чтобы отметить избавление города от холеры в 1849 году.

Престольный праздник 8 июля собирал огромное количество народа, и поэтому молебен перед чудотворным образом служили на площади у собора, на особом помосте. Столь же торжественно отмечались "царские дни", когда на богослужении присутствовали члены императорской фамилии, министры и видные сановники. При пении "Тебe, Бога, хвалим" с Петропавловской крепости гремел пушечный салют. 11 мая, в день свв. Кирилла и Мефодия, на молебен сходились тысячи учащихся церковно-приходских школ, а 14 января — на свой национальный праздник св. Саввы — столичные сербы. 25 декабря, день победы над Наполеоном, отмечался особым благодарственным молебном.

С 1870 в приходе работало благотворительное общество со школой-приютом, бесплатной столовой, богадельней, домом с дешевыми квартирами и дачей для бедных детей под Сестрорецком.

28.Х.1893 в переполненном соборе отпевали П. И. Чайковского. В Пасху 1916 впервые в столице пасхальную заутреню служили у храма, на площади перед ним.

Соборный причт перед революцией состоял из шести протоиереев и четырех священников. Среди служивших в храме надо упомянуть: прот. Тимофея Ферапонтовича Мысловского, автора книги "Молитвы за умерших", и последнего (с 1913) настоятеля прот. Философа Николаевича Орнатского, видного общественного деятеля, одного из новомучеников. В конце ноября 1920 митрополит Вениамин освятил в соборе придел свмч. Ермогена, патриарха Московского.

Ограбленный при изъятии церковных ценностей собор был в апреле 1932 закрыт для верующих (решение Леноблисполкома от 26.ХII.1931 и Президиума ВЦИК от 10.III.1932), а 15 ноября того же года открыт как Музей истории религии и атеизма.

Чудотворная икона была перенесена во Владимирский собор, где помещена у правого клироса. В Троицу 1991 в левом приделе возвращенного епархии Казанского собора возобновились богослужения, через год — в главном; предусматривается переезд музея в другие здания и полная передача собора верующим.

29 марта 1998 года торжественно, согласно уставу, архиерейским чином освящён престол и весь Казанский собор в Санкт-Петербурге. Этим освящением собор очищен от атеистического осквернения и возвращён в прежнее каноническое достоинство.