Престолы храма посвящены Казанской иконе Божией Матери и пророку Илии. Храм был построен в 1699 году и переосвящен 9 июля 1944 года.

Изначально, в 1699 году, храм был деревянным и освящен в честь святого великомученика Димитрия Солунского. В 1738 году, из-за ветхости, его разобрали и возвели новый двухэтажный храм. Верхний этаж был освящен в честь Казанской иконы Божией Матери, а нижний, в честь святого великомученика Димитрия. С 1865 по 1871 годы было построено нынешнее каменное здание храма. Средства на строительство собирали купцы Новичков, Швецов и Тихомиров. Важную роль в сборе средств и строительстве сыграл бывший клирик храма, священник А. Н. Магнусов. Он обратился за помощью к известному купцу О. А. Тургеневу, который внес более половины из двадцати тысяч рублей, необходимых для строительства пятиглавого каменного храма. При храме была построена каменная колокольня, иконостас был полностью вызолочен, а некоторые иконы украшены позолоченными окладами. Храм имел два престола: главный в честь Казанской иконы Божией Матери и боковой в честь пророка Илии.

К 1912 году в штате храма числились два священника, диакон и два псаломщика, а также церковные дома и квартиры для причта. В приходе действовали три церковно-приходские школы: одна в Петровске и две в хуторах Зотово и Сорокино. В 1920-е годы храм был закрыт, но не разрушен. 9 июля 1944 года его вновь освятили и открыли для богослужений, после чего он больше не закрывался.

К храму приписаны часовня в честь преподобного Серафима Саровского при Петровской центральной районной больнице, храм-часовня в честь Преображения Господня на кладбище Петровска и часовня на старом кладбище города.