Собор сооружён в 1562 году известным псковским архитектором Постником Яковлевым, создателем Собора Василия Блаженного в Москве.
Каменный собор был сооружён на месте деревянной церкви, заложенной самим царем и построенной за три дня 4 — 6 октября 1552 года, сразу после взятия города.
28 июля 1555 храм стал кафедральным собором новообразованной Казанской епархии, первым предстоятелем которой стал святой Гурий.
Собор представляет собой пятиглавый трехапсидный храм с двумя боковыми приделами — Борисоглебским и во имя Муромских чудотворцев. В XVII веке с северной стороны был пристроен каменный храм во имя Рождества Христова, соединявшийся с собором неотапливающимся коридором. В 1736 году к западной части собора была пристроена кирпичная одноэтажная трапезная с крыльцом, а шлемовидные маковицы боковых глав были заменены луковичными.