En el lugar de la actual catedral, desde 1565, había una iglesia de madera. La historia del nuevo templo está relacionada con Pedro I, quien visitó Kazán del 27 al 30 de mayo de 1722 durante su campaña persa. Esta fue su tercera visita a la ciudad; la primera fue en 1695 durante la campaña de Azov, y la segunda, en 1708, cuando se inauguró el almirantazgo en Kazán. El emperador se alojó con el conocido comerciante y benefactor Iván Afanasievich Mikhlyaev, cuya casa de ladrillo de dos pisos se encontraba cerca de la iglesia de San Pedro y San Pablo de madera. El 30 de mayo, Pedro I celebró en Kazán su 50 cumpleaños. En honor a este evento y en agradecimiento por la confianza del soberano, que le había confiado la gestión de fábricas estatales deficitarias, Mikhlyaev decidió construir una nueva catedral de piedra en nombre de los santos Pedro y Pablo, que debía ser la más alta y lujosa de Kazán y el Volga.

La construcción del templo fue llevada a cabo por maestros locales durante cuatro años. Se tomó como base un plan estándar de iglesia de la ciudad, pero no se tuvo en cuenta que el esquema tradicional no prevé una altura significativa, y al final el arco se derrumbó. Al enterarse de esto, el zar envió constructores de Moscú, y, posiblemente, junto con ellos llegaron arquitectos florentinos. En 1726, el metropolitano de Kazán y Sviyazhsk, Silvestre Jólmski, consagró el nuevo templo, lo que fue testificado por una inscripción en una cruz de madera que se guardó en la sacristía de la catedral hasta 1917.

A finales de 1930, el rector de la catedral, el protoiereo Andréi Bogoliubov, fue arrestado por "actividades anticomunistas", ya que en 1928 había solicitado ayuda financiera al ex anciano de la catedral, Petr Vasilyevich Unzhenin, quien emigró a China tras la revolución. Por la ayuda recibida de Harbin, el sacerdote de 67 años fue enviado a campos de concentración.

Desde 1931 comenzó una campaña para cerrar el templo. En una reunión del comité político, la compañera Shisranova propuso utilizar la catedral como club, sala de lectura o biblioteca, y la resolución fue enviada al consejo regional de la SVB. Pronto, la SVB organizó conferencias antirreligiosas, promoviendo la "liberación de las ataduras religiosas". Todos los informes se recopilaron para el cierre del templo.

En ese momento, se cerraban iglesias en Kazán, y la comunidad de San Pedro y San Pablo acogía a fieles de otros templos. Se llevaban íconos y utensilios a la catedral, incluyendo las reliquias del santo Varsonofio.

En 1938, se llevaron a cabo arrestos masivos de sacerdotes en Kazán, incluidos clérigos de la catedral. El protoiereo Mijaíl Zosimovski solicitó ser dado de baja de su registro debido a enfermedad.

Ese mismo año se decidió transferir el edificio a un museo para un museo antirreligioso y un auditorio, pero el péndulo de Foucault nunca se instaló. En 1939, la catedral fue cerrada y la tumba de Mikhlyaev fue saqueada.

En 1964, se abrió un planetario en la iglesia inferior, y en 1967 se establecieron talleres de restauración en la iglesia superior. Se organizó una sala de conferencias en el altar.

A finales de la década de 1980, la catedral fue devuelta a la Iglesia gracias a los esfuerzos de la diócesis y la intelectualidad de Kazán. Un papel importante lo desempeñó el editor en jefe del periódico "Kazan Vechernyaya", Andréi Gavrilov. El 25 de julio de 1989, el templo fue consagrado por el obispo de Kazán y Mari, Anastasios. La iglesia recibió el edificio en estado ruinoso, pero pronto comenzó la restauración.