Первый деревянный собор Казанской Богородицы на территории монастыря был построен в 1594 году, но уже через год его заменили каменным. В 1774 году, во время нападения пугачевских войск, собор был сожжен. К концу XVIII века здание обветшало настолько, что его пришлось разобрать в начале 1790-х годов. В 1791 году архитектор И. Е. Старов разработал проект нового храма, но строительство началось только 30 мая 1798 года, когда Император Павел I заложил первый камень и выделил 25 тысяч рублей на строительство. В 1802 году император Александр I добавил еще 20 тысяч рублей. Архитектор Ф. Е. Емельянов, которого Старов проверял в Петербурге, начал строительство, но не завершил его из-за обвинений со стороны игуменьи Софии. В итоге собор достроил губернский архитектор Я. М. Шелковников. За 10 лет был возведен величественный пятикупольный храм Рождества Богородицы, самый большой в городе, с размерами 49 на 43 метра и высотой более 44 метров. Храм украшали порталы и колонны ионического ордена, а главный купол поддерживала колоннада коринфского ордена. Впоследствии храм занял центральное место в ансамбле монастыря. Интерьер также поражал своим великолепием.

Строительство собора, без учета интерьера, обошлось в 57142 рубля, а освящение состоялось в 1808 году. У собора было два боковых придела: в честь Александра Невского и Успения Пресвятой Богородицы. В 1913 году на месте обретения иконы в подвале собора была построена часовня в честь Рождества Богородицы, благодаря стараниям Великой Княгини Елизаветы Федоровны.

Храм был разрушен 26 мая 1932 года. В новом тысячелетии началось восстановление монастырского комплекса. 4 ноября 2015 года Президент Татарстана Рустам Минниханов подписал указ о воссоздании собора Казанской иконы Божией Матери. Правительство Татарстана разработало меры для сбора пожертвований на возрождение святыни.

На данный момент внешний облик собора полностью завершен: установлены кресты на куполах, фасад украшен мозаичными иконами, благоустроена прилегающая территория. Собор стал одной из архитектурных доминант города. В феврале 2020 года состоялось освящение Пещерного храма в честь Рождества Пресвятой Богородицы на месте явления Казанской иконы Божией Матери.