До нашего времени не дошли письменные свидетельства о возникновении кремля, но, согласно официальной версии, город Казань был основан в начале X века. Вначале кремль назывался Керман. Письменные источники на этот счёт отсутствуют.

Самые ранние археологические находки были обнаружены в северной части кремля, ближе к Казанке, где располагалось древнее булгарское укреплённое поселение, а позже, крепость Казанского ханства. Исследователи расходятся во мнениях о датировке деревянных крепостных сооружений: одни считают, что булгарское поселение было укреплено уже в X веке, другие, только в XII веке. Также существуют разногласия относительно характера укреплений: одни полагают, что каменные стены начали возводить в XII веке, другие считают, что это произошло лишь в XV или XVI веках после реконструкции кремля по указу Ивана Грозного псковскими зодчими.

С середины XIII до первой половины XV века кремль стал центром Казанского княжества в составе Золотой Орды. В 1236 году монгольские орды под предводительством Батыя вторглись в Волжскую Булгарию и разрушили её столицу. В 1240 году Булгария, как и русские княжества, оказалась под властью Золотой Орды. Часть булгар переселилась в район Казанки и основала Иске-Казань, город в 45 километрах от Казани. В 1370 году булгарский князь Хасан заложил крепость на месте современного Казанского кремля, служившую резиденцией булгарских князей до 1445 года.

После осады Казани Иваном Грозным в 1552 году крепость была разрушена. Для строительства нового белокаменного кремля царь пригласил псковских зодчих Постника Яковлева и Ивана Ширяя. Крепость значительно расширили, построили шесть каменных башен, но в XVI веке удалось заменить деревянные стены на каменные лишь на треть. Полная замена деревянных оборонительных сооружений на каменные произошла в начале XVII века.

Псковские мастера также возвели первые православные храмы Казанского кремля: Благовещенский собор, церковь святых Киприана и Иустины, церковь Дмитрия Солунского, Спасскую церковь, а также два монастыря, Троице-Сергиевский и Спасо-Преображенский. После пожара 1672 года началось кирпичное строительство, и некоторые башни, включая Спасскую, были перестроены московскими зодчими.

После революции 1917 года, в 1920-1930-х годах, в период борьбы с религией, в Казанском кремле разрушили колокольню и соборный храм Спасского монастыря, колокольню Благовещенского собора, церковь святых Киприана и Иустинии, Спасскую часовню, утратили иконостасы и реликвии кремлёвских церквей. В советский период продолжилось археологическое изучение кремля, начатое в XIX веке. В 1960-е годы была создана Татарская реставрационная мастерская. С образованием Республики Татарстан в 1992 году Казанский кремль стал резиденцией Президента Республики Татарстан. В 1993-1994 годах были разработаны направления реконструкции и развития комплекса Казанского Кремля. В 1994 году указом президента Татарстана был создан Государственный историко-архитектурный и художественный музей-заповедник «Казанский Кремль», началось планомерное научное изучение и реставрация комплекса. Были отреставрированы оборонительные стены и три башни, а также консервация и музеефикация объектов XV-XVI веков. Началось возведение мавзолея для перезахоронения останков ханов. В ходе раскопок был обнаружен погост Троицкого монастыря и некрополь Спасо-Преображенского монастыря. Удалось остановить падение башни Сююмбике. Полностью отреставрированы губернаторский дворец и Дворцовая церковь, а также четыре здания Пушечного двора. В комплексе Архиерейского двора отреставрирован кафедральный Благовещенский собор. В 1995 году начались работы по воссозданию мечети Кул Шариф и реставрации интерьеров Благовещенского собора.

30 ноября 2000 года на сессии Комитета по Всемирному наследию ЮНЕСКО Казанский кремль был включён в список Всемирного наследия. Он объединяет достижения татарского и русского градостроительного искусства, в память о чём в сквере у Благовещенского собора установлен памятник зодчим. Для кремля устроена вечерняя подсветка, а панорамные виды открываются с площадей Тысячелетия и Дворцовой, а также с Кремлёвской дамбы.