Первая церковь на этом месте, согласно документальным свидетельствам, была построена в начале XVIII века, но вскоре сгорела. В 1896 году была заложена новая. Строительные работы велись на пожертвования прихожан, и храм освятили уже в 1899 году.
После революционных событий большую часть церковной утвари и ценностей изъяли, однако в храме продолжались богослужения, и приход оставался действующий вплоть до 1939 года, когда её закрыли и переоборудовали в хлебозавод.
Во время 200-дневной Сталинградской битвы Казанская церковь сильно пострадала. То, что уцелело, передали верующим. Восстановление церкви с максимально возможным сохранением оригинального вида завершилось в 1948 году. В начале 1950-х стены храма были расписаны, тогда же церковь перевели в ранг собора.
В 2005—2011 г. прошла реставрация храма, в рамках которой помимо прочего к двум куполам добавили ещё четыре, а внутри восстановили стены, заменили иконостас и живописные изображения. Во дворе разбили уютный сквер и поставили детскую площадку.