Закладка Казанского собора состоялась 27 августа 1801 года. До этого на участке около Невского проспекта стояла небольшая каменная церковь Рождества Богородицы, построенная в 1733-1737 годах по проекту архитектора М. Г. Земцова. В ней хранилась чудотворная икона Казанской Божьей Матери, привезенная из Москвы в Петербург по приказу Петра Великого.

Строительство собора, который, по замыслу императора Павла I, должен был напоминать собор Святого Петра в Ватикане, было поручено архитектору Воронихину, бывшему крепостному графа Строганова, ставшему впоследствии профессором Академии Искусств.

На возведение собора понадобилось десять лет - довольно небольшой срок для столь значительного сооружения. Интересно, что собор строился из материалов исключительно отечественного производства и усилиями преимущественно русских мастеров. Были задействованы тысячи рабочих, в основном крепостные крестьяне. Строительные работы велись круглосуточно в крайне тяжелых условиях.

Перед Воронихиным стояла непростая задача: согласно церковным канонам, алтарь храма должен быть ориентирован на восток, соответственно, главный вход и фасад - на запад. Следуя этим канонам, получалось, что собор будет обращен к главной магистрали Петербурга, Невскому проспекту, не фасадом, а боком. Воронихин блестяще справился с этой проблемой, украсив северный фасад собора колоннадой, повернутой к Невскому проспекту. По замыслу зодчего, еще одна такая же колоннада должна была украсить противоположный, южный фасад храма, но планы Воронихина не были воплощены в жизнь.

В 1811 году перед горожанами предстал величественный храм, самый большой на тот момент в Петербурге. Высота собора достигала 71,5 метров. Внутри и снаружи собор украшали уникальные колонны, высеченные из огромных гранитных монолитов, весом до 30 тонн каждая.

Решающую роль в судьбе собора сыграла Отечественная война 1812 года. Храм, построенный первоначально для чудотворной иконы Казанской Божьей Матери, превратился в хранилище священных реликвий победоносной войны и стал своего рода музеем воинской славы. В 1813 году в Казанском соборе было решено похоронить фельдмаршала Михаила Илларионовича Кутузова. Благодаря этому событию мемориальное значение собора еще больше возросло.

В 1837 году, в 25-ю годовщину победы над Наполеоном, перед собором были установлены памятники фельдмаршалам М. И. Кутузову и М. Б. Барклаю де Толли. Выполненные по моделям скульптора Орловского, они настолько органично вошли в архитектурный ансамбль Казанского собора, что многие петербуржцы до сих пор уверены, что они были изначально включены в проект Воронихина.

После революции 1917 года собор был отобран у православной церкви. В 1932 году в нем был открыт Музей истории религии и атеизма.

Дата 4 ноября 1990 года вошла в историю собора как день его возрождения. Тогда в праздник Казанской иконы Божьей Матери впервые после более чем семидесятилетнего перерыва в здании собора была отслужена Божественная литургия.