Основание церкви связано с возведением Вологодского кремля по инициативе Ивана Грозного. В "Вологодском летописце" Иван Слободской упоминает, что в 1566 году царь приказал заложить каменный город 28 апреля, в день памяти святых апостолов Иасона и Сосипатра. Историк Н.И. Суворов связывает с этой датой и строительство деревянной церкви в их честь, которая стала предшественницей Казанского храма. Церковь располагалась рядом с царским дворцом, а домовым храмом дворца был храм Иоакима и Анны, позже переосвящённый в Покровский.

Топоним "на Торгу" появился в XX веке из-за близости рынка. Торговые ряды находились рядом с Казанской церковью с XVII века. В XVII веке церковь называли "возле Рыбного ряда", а позже "на Болоте", что связано с болотистой местностью.

В 1605 году церкви Иоакима и Анны, Иасона и Сосипатра, а также царский дворец сгорели в пожаре.

В 1760 году был построен нынешний каменный храм. В XVIII веке его расписали, предположительно, художники Спасо-Прилуцкого монастыря Яков Алексеев Коростин и его сын Федор. Позднее росписи обновили. В 1820 году Казанская церковь была приписана к церкви Покрова на Торгу. В 1832 году её переоборудовали в тёплый храм для зимних служб, а летом службы проходили в Покровской церкви. С этого времени приход называется Покрово-Казанским. 14 мая 1907 года Иоанн Кронштадтский совершил в храме Божественную литургию по пути в родное село Сура. Это было его последнее посещение Вологды.

4 июня 1929 года церковь закрыли. В том же месяце две организации подали прошение о передаче здания: рабочий кооператив "Вологжанин" для кондитерского производства и Селькредсоюз для тракторно-ремонтной мастерской. Однако власти решили использовать помещение для хранения документов Окрархивбюро. В 1930-х годах храм лишился завершения, а в конце 1940-х, начале 1950-х была разобрана шатровая колокольня, частично повредив трапезную. До 1970-х в здании размещались торговые конторы для продажи молочных продуктов. После переноса городского базара рассматривался вопрос о строительстве на Торговой площади высотного административного здания и сносе храма. Однако власти отказались от этих планов и построили новое здание облисполкома на улице Герцена, ныне здание областного правительства.

Восстановление храма началось в начале 1990-х годов под руководством настоятеля Церкви Покрова на Торгу протоиерея Василия Павлова и общины во главе с Д.Н. Тихомировой. Началось возрождение Покровско-Казанского прихода. В 1992 году полуразрушенное здание Казанской церкви, без колокольни и куполов, было передано Покровской общине. 20 февраля 1995 года Указом Президента РФ Казанский храм был признан объектом культурного наследия федерального значения. В 2000-е годы началась реставрация храма по проекту архитектора Г.П. Белова: восстановлены главы и повреждённые участки кладки, начата реставрация колокольни. 16 июня 2014 года вокруг храма образован отдельный приход. 20 июля 2014 года в храме прошло первое богослужение, молебен перед Казанской иконой Божией Матери. 11 мая 2015 года митрополит Вологодский и Кирилловский Игнатий совершил первую за 86 лет Божественную литургию. В сентябре 2017 года завершился монтаж иконостаса в приделе святых апостолов Иасона и Сосипатра. В храме продолжаются восстановительные работы.