Строительство храма началось в 1773 году. Трехпрестольный Казанский храм возведен в стиле русского, или провинциального, барокко. Казанский и Никольский приделы были холодными для летнего времени, а Стефановский, теплым для зимы. Стефановский придел получил свое название чудесным образом: когда преподобная Александра молилась, прося Господа указать, в честь кого освятить третий престол церкви, она услышала голос, который велел посвятить его первомученику архидиакону Стефану. На подоконнике своей кельи она обнаружила чудесно появившийся образ этого святого, написанный на простом куске дерева.

Освящение Казанской церкви было совершено строителем иеромонахом Пахомием, вероятно, в воскресенье, 19 января по старому стилю, в день памяти преподобного Макария Египетского. На следующий день, 20 января, отец Пахомий отправил письмо Преосвященному Симону с известием об освящении церкви. Посвящение первого храма обители Казанской иконе Божией Матери напоминает о том, что Дивеево находится в земном уделе Пресвятой Богородицы и о великих милостях, которые Царица Небесная являет обители с первых дней. Новая каменная церковь была приходской, но преподобный Серафим Саровский предсказывал, что со временем она станет теплым монастырским собором с множеством пристроек и приделов, подобно Иерусалимскому храму.

Летом 1928 года колокола с Казанской церкви были сброшены, а в 1940 году сняты кресты и уничтожены верхушки купола и колокольни. Случайный прохожий едва ли мог распознать в этом строении памятник архитектуры русского барокко. Церковь представляла собой одноэтажное здание с двускатной крышей и множеством окон. В ней сначала разместили общежитие педтехникума, затем мастерские, а позже долгое время использовали как склад. В 1992 году Казанская церковь была передана монастырю. В 1996 году в четверике храма отмыли старинные фрески на евангельские сюжеты, созданные дивеевскими сестрами. Хотя восстановление Казанского храма не планировалось, по предложению директора концерна "Росэнергоатом" Э.Н. Поздышева и благословению епископа Георгия было решено начать реставрацию.

14 июля 2004 года состоялось освящение и установка новых колоколов на колокольню Казанской церкви. Главный колокол весом в 2 тонны украшен изображениями Казанской иконы Божией Матери и других святых. Были отреставрированы сохранившиеся росписи храма и созданы новые фрески, отражающие историю Дивеевской обители. 31 июля 2004 года, накануне 250-летия со дня рождения преподобного Серафима, состоялось торжественное освящение главного престола восстановленной Казанской церкви. Чин великого освящения провели митрополиты Филарет, Ювеналий, Климент и собор архиереев. После первой литургии митрополит Филарет обратился к участникам с приветствием. Реставрацию внутренней штукатурки и живописи, а также новые росписи выполнила бригада под руководством Ярослава Рылло. Иконостасы изготовила бригада резчиков под руководством И. Титова по проекту архитектора Т. Титовой, а иконописные работы возглавлял А. Анциферов. В трапезной части изображены фрагменты истории Дивеева. В четверике сохранились старинные росписи дивеевских мастериц. Строительство новых восьми приделов началось в апреле 2007 года и завершилось в сентябре. 20 июля 2008 года освятили первый придел в честь Казанской иконы Божией Матери. 21 августа 2008 года владыка Георгий освятил еще один придел в честь преподобных жен дивеевских. Освящение придела в честь дивеевских подвижниц состоялось 2 октября, а придел в честь святых Царственных страстотерпцев был освящен 3 декабря. 11 декабря освятили придел во имя святых Дивеевских блаженных. С этого времени Казанская церковь стала называться собором. Росписи приделов выполнены художниками мастерской "Ковчег" под руководством Алексея Анциферова. В Казанском соборе покоятся мощи дивеевских блаженных, и в их памятные дни здесь проходят праздничные богослужения и молебны.