Собор был построен в XVI веке псковскими зодчими Иваном Ширяем и Постником Яковлевым. Позднее он многократно расширялся и перестраивался. В 1736 году шлемовидные купола были заменены на луковичные, а центральный получил завершение в стиле украинского барокко. В середине XIX века на месте стоявшей рядом обветшавшей Рождественской церкви были выстроена новая тёплая трапезная. По проекту губернского архитектора Ф. Петонди, утвержденному в 1841 году, собор был сильно расширен на запад, север и юг. Колокольня высотой 50 метров, выстроенная в 1630-1640-х годах, располагалась к югу от собора. В 1918 году собор был сильно разрушен при штурме Казани Красной армией. В советское время в соборе размещался Госархив ТАССР. Колокольня была разобрана в 1922 году. В 1977-1984 годах была проведена реставрация собора, восстановившая его вид в формах 1841 года. В 1995 году собор передали историко-архитектурному музею "Казанский кремль". К 2005 году было отреставрировано внутренне пространство собора, в нём стали проводиться литургии.