Первая церковь, посвящённая Казанской иконе Божией Матери, была возведена внутри Царицынской крепости в начале XVIII века, но вскоре, вероятно, сгорела. В 1709 году, после смерти священника Петра Димитриева, другой иерей, Фёдор Дмитриев, вместе с прихожанами обратился к астраханскому митрополиту Сампсону с просьбой назначить дьякона Алексея Игнатьева священником.

Согласно «Астраханским епархиальным ведомостям» за 1886 год, в приходно-расходной книге храма содержатся записи о пожертвованиях за 1711 и 1720 годы. На месте нынешнего Казанского собора ранее находилась деревянная часовня, располагавшаяся рядом с ветряными мельницами. Современники отмечали, что кладбище не было огорожено, но с него открывался прекрасный вид на город.

В 1894 году епископ Саратовский и Царицынский Николай Налимов осмотрел место для нового храма, который заложили в 1896 году на средства прихожан. Казанская церковь была построена как кладбищенская на Дар-горе и освящена 23 августа 1899 года епископом Иоанном Кратировым. Большую роль в строительстве сыграл протоиерей Иоанн Никольский, однако автор проекта неизвестен.

С 1902 года в церкви служил псаломщик Николай Алексеевич Долецкий, который позже стал дьяконом и был арестован при советской власти. В 1904 году к церкви пристроили трапезную и колокольню. В 1907 году настоятелем храма стал протоиерей Иван Стефанович Смирнов, который избирался депутатом на епархиальные съезды в 1910-1912 годах.

С 1908 года в церкви служил иерей Алексей Александрович Ушаков, также исполнявший обязанности уездного миссионера. В 1909 году дьяконом стал Николай Павлович Соколов, которого в 1913 году отстранили от должности. В 1912 году к храму относились 6306 прихожан, 20 инославных, 56 старообрядцев и 50 сектантов.

После Октябрьской революции из церкви изъяли большую часть ценностей. В 1920 году была произведена реквизиция, и к 1924 году храм относился к патриаршей Церкви. В это время в нём служили протоиерей Виктор Поляков, священник Андрей Хмелёв, дьякон Проскуряков и псаломщик Долецкий. Обновленцы подали на них жалобу. В 1930-е годы приход оставался действующим, хотя и подвергался гонениям. На 1932 год он числился за «староцерковниками», но позже перешёл под управление обновленцев. Документы свидетельствуют, что храм функционировал до конца 1937 года. До ареста в 1935 году здесь служили священники Владимир Князевский, Евгений Мегарский, Ефим Саблин, псаломщик Фёдор Кочетков и дьякон Долецкий. В 1937 году арестовали священника Александра Петровича Соколова, дьякона Тимофея Ивановича Акимова и старосту Василия Ильича Солоухова, приговорив их к длительным срокам заключения. До войны в церкви служил иеромонах Самсон, чья книга хранится в Центре русской культуры «Воскресение». При храме находились известные юродивые, такие как блаженный Адриан, Татьяна и Екатерина. 15 декабря 1939 года церковь закрыли и переоборудовали в хлебозавод.

В апреле 1946 года здание передали верующим, и под руководством архитектора В. Н. Симбирцева храм был восстановлен. В 1948 году его освятил архиепископ Филипп Ставицкий. В ходе реконструкции старались сохранить первоначальный вид здания. В начале 1950-х годов храм был расписан, а в 1954 году по указу патриарха Алексия он был возведён в ранг собора. В 1955 году протоиереем стал Сергий Соловьев.

В 2009 году ключарь собора протоиерей Николай Пичейкин сообщил о разрушении храма из-за проблем с кровлей. Весной 2010 года митрополит Герман обратился за помощью в реконструкции собора. Глава администрации области Анатолий Бровко предложил схему софинансирования реставрации. Одна из компаний выделила 15 миллионов рублей на ремонт кровли. Реставрация была проведена как внутри, так и снаружи. Здание приобрело дореволюционный облик, купола заменили шатрами, добавили четыре новых купола, изготовленных в Волгодонске. Храм продолжал действовать в обычном режиме, а реставрация завершилась в 2011 году.