À l'emplacement de la cathédrale actuelle se trouvait une église en bois depuis 1565. L'histoire du nouveau temple est liée à Pierre Ier, qui a visité Kazan du 27 au 30 mai 1722 lors de sa campagne en Perse. C'était sa troisième visite dans la ville, la première ayant eu lieu en 1695 lors de la campagne d'Azov, et la seconde en 1708, lorsque l'amirauté a été ouverte à Kazan. L'empereur s'est arrêté chez le célèbre marchand et philanthrope Ivan Afanassievitch Mikhliaev, dont la maison en briques de deux étages se trouvait à proximité de l'église en bois de Saint-Pierre-et-Saint-Paul. Le 30 mai, Pierre Ier a célébré son 50e anniversaire à Kazan. En l'honneur de cet événement et en remerciement pour la confiance du souverain, qui lui avait confié la gestion de manufactures d'État déficitaires, Mikhliaev a décidé de construire une nouvelle cathédrale en pierre au nom des saints Pierre et Paul, qui devait devenir la plus haute et la plus luxueuse de Kazan et de la région de la Volga.

La construction du temple a été réalisée par des artisans locaux pendant quatre ans. Ils ont pris comme base un plan type d'église urbaine, mais n'ont pas tenu compte du fait que le schéma traditionnel ne prévoyait pas de hauteur significative, et finalement la voûte s'est effondrée. Apprenant cela, le tsar a envoyé des bâtisseurs de Moscou, et peut-être avec eux sont arrivés des architectes florentins. En 1726, le métropolite de Kazan et de Sviyazhsk, Silvestre Kholmsky, a consacré le nouveau temple, comme en témoigne l'inscription sur la croix en bois qui a été conservée dans le trésor de la cathédrale jusqu'en 1917.

À la fin de 1930, le recteur de la cathédrale, le prêtre André Bogolioubov, a été arrêté pour « activité antisoviétique », car en 1928, il avait demandé de l'aide financière à l'ancien aîné de la cathédrale, Pierre Vassilievitch Unjéline, qui avait émigré en Chine après la révolution. Pour l'aide reçue de Harbin, le prêtre de 67 ans a été envoyé dans des camps.

Depuis 1931, une campagne de fermeture du temple a commencé. Lors d'une réunion du politprosvet, camarade Shisranova a proposé d'utiliser la cathédrale comme club, bibliothèque ou salle de lecture, et la résolution a été envoyée au conseil régional de la SVB. Bientôt, la SVB a organisé des conférences antireligieuses, faisant la promotion de « la libération des chaînes religieuses ». Tous les rapports étaient collectés pour la fermeture de la cathédrale.

À cette époque, des églises étaient fermées à Kazan, et la communauté de Saint-Pierre-et-Saint-Paul accueillait des croyants d'autres temples. Des icônes et des objets liturgiques, y compris les reliques de saint Varsonofe, étaient apportés à la cathédrale.

En 1938, des arrestations massives de prêtres ont eu lieu à Kazan, y compris des clercs de la cathédrale. Le prêtre Michel Zosimovski a demandé à être retiré de l'enregistrement en raison de sa maladie.

La même année, il a été décidé de transférer le bâtiment au musée pour un musée antireligieux et un auditorium, mais le pendule de Foucault n'a jamais été installé. En 1939, la cathédrale a été fermée, et le mausolée de Mikhliaev a été pillé.

En 1964, un planétarium a été ouvert dans le temple inférieur, et en 1967, des ateliers de restauration ont été installés dans le temple supérieur. Une salle de conférence a été aménagée dans l'autel.

À la fin des années 1980, la cathédrale a été restituée à l'Église grâce aux efforts de l'évêché et de l'intelligentsia de Kazan. Le rédacteur en chef du journal « Kazan du Soir », André Gavrilov, a joué un rôle important. Le 25 juillet 1989, le temple a été consacré par l'évêque de Kazan et de Mari, Anastase. L'église a reçu le bâtiment dans un état de ruine, mais la restauration a rapidement commencé.