Архимандрит Августин (Никитин) в статье "Казанский собор в Санкт-Петербурге. Страницы истории" привел интересный факт: во время церемонии закладки Казанского собора, "использовались серебряные лопатки и молотки, служившие уже при закладке Михайловского замка при Павле I - на них лишь переделали императорские инициалы".
Раньше на месте собора стояла небольшая каменная церковь Рождества Пресвятой Богородицы в стиле барокко, с деревянным куполом и колокольней над входом. Освящение церкви состоялось в июне 1737 года в присутствии императрицы Анны Иоанновны. Накануне освящения в храм были перенесены чтимый образ Казанской иконы Божией Матери и список с чудотворной иконы, обретенной в Казани в конце XVI века. Эта каменная церковь стала первым православным храмом на Невском проспекте.
В годы правления императрицы Елизаветы Петровны церковь получила статус собора и стала официально называться Казанским. С тех пор в нем венчались члены царской семьи, а императрица Екатерина II принимала присягу гвардии.
К концу XVIII века здание собора обветшало и перестало соответствовать парадному облику Невского проспекта. Изначально собор планировалось переделать, и даже были разработаны соответствующие проекты. Но не один из них так и не был реализован. В итоге, император Павел I задумал превратить небольшую церковь в огромный собор, который должен был быть похож на собор Святого Петра в Ватикане - главный храм католического мира. Но храм во имя апостола Петра в Петербурге уже был, поэтому новый собор решили посвятить Пресвятой Богородице.
В 1799 году императором был объявлен конкурс на проект храма, в котором участвовали лучшие архитекторы того времени: Чарльз Камерон, Жан Тома де Томон, Пьетро Гонзаго, Джакомо Кваренги и другие. Высочайшее одобрение получил проект Камерона, но через несколько недель император свое решение отозвал. В итоге, ни один представленный проект не был утвержден.
Прошел год и, совершенно неожиданно для всех, Павел I утвердил проект малоизвестного архитектора Андрея Воронихина - бывшего крепостного графа Александра Строганова. Сам же Строганов возглавил попечительский совет при строительстве собора.
В марте 1801 года Павел I был убит, так что первый камень в основание Казанского собора заложил его сын - Александр I. Впереди было 10 лет интенсивного строительства - собор без устали возводили днем и ночью, летом и зимой, причем в этой работе участвовали исключительно отечественные мастера. Скульптурой и барельефами декорировали собор Степан Пименов, Иван Мартос, Василий Демут-Малиновский. Над рельефами интерьера и фасадов работали Федор Гордеев, Яков Рашетт, Иван Прокофьев. Росписями украшали стены известные живописцы - Карл Брюллов, Федор Бруни, Василий Шебуев, Владимир Боровиковский. Иконы для иконостаса писали академики живописи императорской Академии художеств: Алексей Егоров, Андрей Иванов, Степан Щукин, Орест Кипренский и другие.
Материалы для строительства тоже были отечественными. Из пудостского камня, добывавшегося недалеко от Гатчины, были выполнены наружные стены собора, колонны, капители и барельефы. Цоколь был создан из крупных монолитов серого сердобольского (сортавальского) гранита, добывавшегося в окрестностях города Сортавала. Пол был облицован серым рускеальским мрамором, добытым также в районе Сортавалы, и розовым белогорским мрамором из-под Кондопоги в Карелии. Отечественные материалы использовались и в отделке храма - олонецкий мрамор, черный шунгитовый сланец, малиновый шокшинский кварцит, рижский известняк, эстонские доломиты, алтайские порфиры. Так что Казанский собор вполне заслуженно называют музеем российского природного камня.
Строительство было завершено в 1811 году. 27 сентября (15-го по старому стилю), в десятую годовщину со дня коронации Александра I, митрополит Новгородский и Санкт-Петербургский Амвросий торжественно освятил Казанский собор, ставший самым высоким храмом того времени. Его высота превысила 71 метр.
Казанский собор построен в стиле русского классицизма и представляет собой латинский крест. Он обращен к Невскому проспекту боковым северным фасадом, к которому примыкает полукруглая колоннада коринфского ордера из 96 колонн. Главный вход находится с западной стороны, также есть вход с северной стороны собора.
Впервые в мировой строительной практике Воронихиным была создана металлическая конструкция купола, диаметр которого составил почти 18 метров. Северные ворота собора выполнены из бронзы по образцу "Райских врат" флорентийского баптистерия. Интерьер украшают 56 колонн из розового гранита с золочеными капителями коринфского ордера. Главной святыней храма стал чтимый образ Казанской иконы Божией Матери. Работы по отделки интерьера собора продолжались вплоть до 1829 года.
После Отечественной войны 1812 года храм превратился в национальный Памятник победы и хранилище воинских реликвий. Сюда свозили армейские знамена и полковые штандарты наполеоновских войск, ключи от завоеванных городов, маршальские жезлы. В 1813 году в приделе собора был похоронен генерал-фельдмаршал Михаил Кутузов. В 1912-м большинство трофеев были переданы в Государственный исторический музей в Москве.
Гонения на церковь при советской власти, к сожалению, не обошли и Казанский собор. После 1917 года с его купола сняли крест, а на его место водрузили позолоченный шар со шпилем. В 1932 году здесь открылся Музей истории религии и атеизма. Во время блокады Ленинграда собор сильно пострадал от бомбежек. Но был отремонтирован и, с 1991 года, вновь открыт для богослужений. Окончательно Русской православной церкви собор был возвращен только в 2000 году. Он получил статус кафедрального. С марта 2019 года настоятелем храма является митрополит Санкт-Петербургский и Ладожский Варсонофий (Судаков).