Первоначально на месте обретения Казанской иконы Божией Матери была устроена деревянная церковь. В 1594 году 14 апреля, при митрополите Казанском Гермогене и по повелению царя Феодора Иоанновича, был заложен каменный храм. Собор с двумя приделами во имя Пресвятой Богородицы и святого благоверного князя Александра Невского, освятили в 1595 году. Он просуществовал до 1796 года и был снесен по ветхости. На месте старого поставили новый Казанский («Холодный») собор, по проекту известного архитектора, основоположника классицизма в русской архитектуре Ивана Егоровича Старова.
Историческое событие - закладка первого камня главного храма города - состоялось 30 мая 1798 года, на нем присутствовал император Павел I с Великими князьями Александром (будущим императором Александром I) и Константином.
30 мая 1808 года собор Казанской иконы Божией Матери был освящен и по признанию очевидцев сразу же стал архитектурной доминантой Казани, одним из первых и лучшим образцом зрелого классицизма в Поволжье. Его появление сыграло большую роль в развитии новой стилистики волжских городов. Пятиглавый, с вызолоченными крестами и «яблоками», собор имел размеры 22 сажени 2 аршина по оси запад-восток и 20 саженей 2 аршина в поперечнике (примерно 48 м на 44 м) и 20 саженей 2 аршина в высоту (около 44 м). С трех сторон храм украшали колонные портики ионического ордера, увенчанные фронтонами. Барабан центрального купола, обрамленный снаружи трехчетвертными колоннами коринфского ордера, опирался на четыре столба. Главный престол был освящен во имя Казанской иконы Божией Матери, левый придел посвящен святому благоверному князю Александру Невскому. Правый придел во имя Успения Божией Матери. Собор возводился под руководством архитектора Ф.Е. Емельянова - автора проектов иконостасов для собора (центрального придела). С возведением нового собора еще более возросла архитектурно-градостроительная значимость монастыря. Он еще активнее, наряду с ансамблем Казанского Кремля, стал участвовать в формировании панорамного вида города, особенно со стороны реки Казанки. Именно в этом новом каменном храме, в теплое время, и находился обретенный в 1579 году образ Пречистой Богородицы, вплоть до похищения иконы в 1904 году чудотворный образ в рамах стоял в иконостасе слева от Царских врат в большом деревянном киоте в виде портика, к которому с боковых сторон вели лестницы, выполненные из вяза.
История строительства собора на этом не закончилась. Знаковое событие произошло еще позже, уже в начале XX веке, когда 13 июля 1910 года с визитом в Казань прибыла Великая княгиня Елизавета Федоровна. Прямо с теплохода она направилась в монастырь и пожелала побывать на месте непосредственного обретения чудотворной Казанской иконы. Спустившись в неприспособленный подвал под алтарем она долго молилась, а затем предложила помощь в устройстве этого святого места, находившегося до того времени в запустении. Указом Святейшего Синода от 27 ноября 1910 года император дал Великой княгине звание попечительницы часовни. Для разработки проекта был привлечен еще один знаменитый архитектор - Академик Щусев.
Сам подземный храм с часовней должны были напоминать православные «пещеры» и усыпальницу Великого князя Сергея Александровича. Работами в Казани руководил инженер Голышев. В соборе увеличили высоту подземелья, расширили коридоры, сделали цементные полы, устроили две печи, оштукатурили стены и своды. Над местом обретения иконы установили иконостас. К весне 1913 года все работы были завершены. 20 апреля в присутствии Великой княгини Елизаветы Федоровны здесь состоялось первого богослужение. Святое место получило название «Казанские пещеры».
Трагично сложилась судьба монастыря с приходом советской власти. Собор был уничтожен, для строительства на этом месте киностудии (татарского отделения «Восток-кино»).
В новом тысячелетии комплекс монастыря начали восстанавливать: проведены научно-исследовательские работы, началась реставрация сохранившихся зданий, благоустройство территории. Сегодня все работы ведутся строго в соответствии с генеральной концепцией воссоздания исторической территории монастыря. Правительством Татарстана разработан комплекс мер по содействию организации сбора добровольных пожертвований, отчислений юридических и физических лиц, общественных и религиозных организаций для возрождения главной православной святыни Казани.