Казанские старообрядцы белокриницкого согласия, относящиеся к Древлеправославной Церкви Христовой, смогли построить свой храм в городе лишь после издания 17 апреля 1905 года манифеста императора Николая II, который укреплял принципы веротерпимости.

В ноябре 1906 года был открыт подписной лист для сбора пожертвований на строительство храма. Средства поступали от десятков купцов из Казани и Москвы. Закладка храма состоялась в июле 1907 года под руководством двух казанских старообрядческих священников, Петра Даниловича Залетова и Алексея Ивановича Калягина.

6 сентября 1909 года, по старому стилю, храм был освящён в честь явления иконы Богородицы в Казани.

Под приделом храма были захоронены епископ Казанский и Вятский Иоасаф и отец П. Д. Залетов. Место их погребения удалось обнаружить только в 2016 году.

А. И. Калягин служил в Покровском храме с момента его основания до его закрытия в советское время.

В мае 1922 года Комиссия по изъятию церковных ценностей конфисковала из Покровского собора более двух пудов серебра в виде окладов с икон, кадил, сосудов и монет. Через несколько лет храм был закрыт.

Позднее здание храма передали Центральному государственному архиву ТАССР, где хранились документы отдела дореволюционных фондов. Во время Великой Отечественной войны в нём также разместили часть эвакуированных в Казань архивов. По воспоминаниям Василия Кириллова, здание было полностью заполнено стеллажами с документами, а сам храм был закрыт и окружён бетонным забором.

Постановлением Кабинета министров Республики Татарстан № 642 от 1 августа 1996 года здание Покровской Старообрядческой церкви было передано зарегистрированному религиозному обществу старообрядцев Белокриницкого согласия для удовлетворения религиозных нужд верующих.

В 1997 году была восстановлена Казанско-Вятская епархия РПСЦ, и Покровский храм стал кафедральным. Началась его постепенная реставрация.

Епископ Казанский и Вятский Андриан решил создать при храме музей. Протоиерей Геннадий Четвергов вспоминал, что они обсуждали, как важно делиться редкими иконами и книгами с людьми, чтобы они могли почувствовать благодать, исходящую от этих святынь.

Из-за незавершённости реставрации в конце 2009 года не удалось провести в храме Освящённый Собор.

6 декабря 2016 года перед Покровским собором был открыт памятник митрополиту Андриану, созданный коллективом группы компаний «Ирэк».