Казанский собор был построен на средства князя Дмитрия Михайловича Пожарского в 1620-х годах и назван Казанским в честь чудотворной Казанской иконы Божией Матери, главной войсковой святыни ополчения Минина и Пожарского. После пожара 1635 года вместо деревянного собора мастерами Семеном Глебовым и Наумом Петровым (по другой версии – царским мастером Абросимом Максимовым) был построен каменный на средства государя Михаила Федоровича и освящен патриархом Иосифом 15 октября 1636 года.
Со времени постройки храм стал одной из важнейших Московских церквей, его настоятель занимал одно из первых мест в Московском духовенстве. В 1650 году перед собором были построены новая паперть и колокольня, а в конце 17 века устроено парадное крыльцо. После окончания строительства собора была сделана гладкая деревянная мостовая от него до Лобного места, получившая сначала название Красный мост, а возле храма – Красная площадь.
В 1801 году была сломана прежняя шатровая колокольня и к 1805 году выстроена новая двухъярусная, в 1865 году был надстроен третий ярус. В 1849 году внутри собора был установлен новый иконостас, в 1873 году сделана новая роспись стен.
В 1925-1930 годах под руководством архитектора Петра Барановского на средства обновленческого прихода была проведена серьезная реконструкция и реставрация храма, в ходе которой ему был возвращен первоначальный облик, сняты чертежи и замеры.
Вскоре Казанский собор закрыли. Там были столовая, склад, а летом 1936 года его сломали. Через год на его месте появился временный павильон III Интернационала. Позднее здесь было открыто летнее кафе, а на месте алтаря устроена общественная уборная.
Казанский собор в Москве восстановлен в 1990-1993 годах по инициативе Московского городского отделения Всероссийского общества охраны памятников истории и культуры. Автором проекта стал архитектор Олег Журин, один из учеников Петра Барановского. Основные средства для строительства (помимо народных пожертвований) были предоставлены правительством Москвы.
4 ноября 1990 года Святейший Патриарх Алексий II заложил камень в основание собора, а ровно через три года освятил заново возведенный храм. Главный престол собора освящен в честь иконы Божией Матери «Казанская».