Казанский собор является выразительным примером культового зодчества в неорусском стиле. Его монументальный объем когда-то завершался пятиглавием на деревянных барабанах, утраченных в советское время. В строительстве храма использовались не только традиционный кирпич, но и монолитный бетон, финский гранит и асфальт. Собор имеет квадратную форму и двусветный объем с высокой трехчастной апсидой алтаря и двухъярусным притвором главного входа, покрыт четырехскатной кровлей. Боковые фасады выделяются широкими арочными окнами второго света, которые визуально увеличены заглубленными нишами с мелкорустованными архивольтами и металлическим карнизом, напоминающим закомары. Фасады разделены на три части полукруглыми тумбами. Верхние проемы контрастируют с меньшими арочными окнами первого света. На боковых фасадах расположены арочные порталы, а главный вход на западной паперти отличается более сложной профилировкой с парными колонками и архивольтом из двух рядов полувала. Над ним находится крупная ниша киота с арочным завершением, обрамленным мелким рустом. Над киотом выступает кованый ажурный навес, защищавший образ Казанской Богоматери. Декор фасадов включает двухрядный пояс мелких колонок, продолжающийся в виде фриза на апсидах, и ряд бегунца в основании нижних окон. Внутри храм перекрыт парусным сводом и связан тройными проемами с главным и двумя придельными алтарями. Стены оштукатурены и окрашены в зеленоватый цвет с орнаментальной росписью по углам свода. Алтарная стена украшена росписью "Тебя, Бога, хвалим", изображающей группы святых, направляющихся к престолу. Роспись выполнена палехскими художниками под руководством И.И. Парилова, с преобладанием синих и охристых тонов. В центральной арке алтарного проема сохранились царские врата иконостаса с резьбой, обрамляющей проемы для икон. Полы собора выложены метлахской плиткой. Подвальное помещение под алтарной частью изначально предназначалось для ризницы.