An der Stelle der heutigen Kathedrale stand seit 1565 eine hölzerne Kirche. Die Geschichte des neuen Tempels ist mit Peter I. verbunden, der Kasan vom 27. bis 30. Mai 1722 während seines Persienfeldzugs besuchte. Dies war sein dritter Besuch in der Stadt, der erste fand 1695 während des Asowschen Feldzugs statt, und der zweite 1708, als in Kasan das Admiralität eröffnet wurde. Der Kaiser wohnte beim bekannten Kaufmann und Wohltäter Ivan Afanasyevich Mikhlayev, dessen zweigeschossiges Ziegelhaus neben der hölzernen Peters- und Paulskirche stand. Am 30. Mai feierte Peter I. in Kasan seinen 50. Geburtstag. Zu Ehren dieses Ereignisses und als Dank für das Vertrauen des Herrschers, der ihm die defizitären staatlichen Manufakturen zur Verwaltung übergeben hatte, beschloss Mikhlayev, eine neue steinerne Kathedrale im Namen der Heiligen Peter und Paul zu bauen, die die höchste und prächtigste in Kasan und im Wolgagebiet werden sollte.

Der Bau des Tempels wurde von einheimischen Meistern über vier Jahre hinweg durchgeführt. Als Grundlage wurde ein Standardplan für eine Stadtkirche genommen, jedoch wurde nicht berücksichtigt, dass das traditionelle Schema keine erhebliche Höhe vorsieht, und letztendlich stürzte das Gewölbe ein. Als der Zar davon erfuhr, schickte er Bauarbeiter aus Moskau, und möglicherweise kamen mit ihnen florentinische Architekten. 1726 weihte der Metropolit von Kasan und Swijazhsk, Silvester Chlomski, den neuen Tempel, was durch eine Inschrift auf dem hölzernen Kreuz belegt wurde, das bis 1917 im Sakristei der Kathedrale aufbewahrt wurde.

Ende 1930 wurde der Pfarrer der Kathedrale, Protopresbyter Andrei Bogolyubov, wegen "antisozialistischer Aktivitäten" verhaftet, da er 1928 um finanzielle Hilfe bei dem ehemaligen Vorsteher der Kathedrale, Peter Vasilievich Unzhenin, der nach der Revolution nach China emigriert war, gebeten hatte. Für die erhaltene Hilfe aus Harbin wurde der 67-jährige Priester in Lager geschickt.

Ab 1931 begann eine Kampagne zur Schließung des Tempels. Auf einer Sitzung des politischen Aufklärungsrates schlug Genossin Shisranova vor, die Kathedrale als Klub, Lesesaal oder Bibliothek zu nutzen, und die Resolution wurde an den Oblastrat der SVB gesendet. Bald organisierte die SVB antireligiöse Vorträge und agitierte für die "Befreiung von religiösen Fesseln". Alle Berichte wurden gesammelt, um die Schließung des Tempels zu unterstützen.

In dieser Zeit wurden in Kasan Kirchen geschlossen, und die Peters- und Paulsgemeinde nahm Gläubige aus anderen Tempeln auf. In die Kathedrale wurden Ikonen und liturgische Gegenstände gebracht, darunter die Reliquien des Heiligen Varsanofius.

1938 fanden in Kasan Massenverhaftungen von Priestern statt, darunter auch Kleriker der Kathedrale. Protopresbyter Mikhail Zosimovsky bat darum, ihn aufgrund von Krankheit von der Registrierung abzumelden.

Im selben Jahr wurde beschlossen, das Gebäude dem Museum für ein antireligiöses Museum und einen Vortragssaal zu übergeben, aber das Foucault-Pendel wurde nie installiert. 1939 wurde die Kathedrale geschlossen, und das Grabmal von Mikhlayev wurde geplündert.

1964 wurde im unteren Tempel ein Planetarium eröffnet, und 1967 wurden im oberen Tempel Restaurierungswerkstätten eingerichtet. Im Altar wurde ein Konferenzraum eingerichtet.

Ende der 1980er Jahre wurde die Kathedrale dank der Bemühungen der Diözese und der intellektuellen Elite von Kasan an die Kirche zurückgegeben. Eine wichtige Rolle spielte der Chefredakteur der Zeitung "Abend-Kasan", Andrei Gavrilov. Am 25. Juli 1989 wurde der Tempel von dem Bischof von Kasan und Mari El, Anastasius, geweiht. Die Kirche erhielt das Gebäude in einem ruinösen Zustand, aber bald begann die Restaurierung.