Перед строительством храма Казанской Иконы Божией Матери в Оптиной Пустыни произошло чудесное событие. Иеромонах Макарий, который позже стал архимандритом Малоярославецкого Черноостровского монастыря, получил смертельную травму на месте будущего храма. Во время тяжелой болезни ему приснилось, что он молится перед Казанской иконой Божией Матери в доме помещицы Елены Семеновны Сабуровой из Козельского уезда. Проснувшись, отец Макарий почувствовал облегчение и пообещал, что после выздоровления посетит дом Сабуровой и отслужит молебен перед иконой.

Когда он исполнил этот обет, Сабурова рассказала ему о своем намерении построить храм в честь иконы и предложила, чтобы он был возведен в Оптиной Пустыни. Она пообещала передать икону монастырю и пожертвовать средства на строительство. Игумен Авраамий воспринял это как знак Божьей милости и решил построить храм на месте происшествия. Сабурова внесла значительный вклад в строительство, а иеромонах Макарий собирал пожертвования для завершения отделки храма.

Храм имеет три предела: центральный в честь Казанской иконы Божией Матери, южный в честь Воздвижения Креста Господня и северный в честь святых великомучеников Георгия Победоносца и Феодора Стратилата. Строительство началось в 1805 году, главный предел был освящен в 1811 году, а боковые, в 1815 году. Первоначально северный предел был посвящен только Георгию Победоносцу, но в 1837 году после перестройки Введенского собора туда был перенесен предел Феодора Стратилата.

В 1859 году, при настоятеле Моисее Путилове, было проведено малое освящение обновленного храма после завершения росписи и позолоты иконостаса. При настоятеле Исаакие Антимонове храм был расширен, добавлены хоры и помещение для ризницы, а также подвал.

После революции храм оставался действующим дольше других в обители, но был закрыт властями в 1923 году. В советское время в монастыре находилось сельхозучилище, а в храме размещалась сельхозтехника.

После возобновления деятельности обители началось восстановление храма. Все три престола были освящены Патриархом Алексием II 28 июля 1996 года. В XIX веке в склепах храма были захоронены три старца Оптинских: Моисей и Антоний Путиловы, а также Исаакий Антимонов. В 1990-х годах их мощи были обретены и возвращены в склепы. Стены храма украшены фресками, выполненными по древнему методу «влажной» росписи.

В Казанском храме ежедневно проходят поздняя Литургия и вечернее богослужение, а в воскресные и праздничные дни, всенощные бдения и поздние Литургии.