Император Павел I за короткий срок своего правления инициировал строительство двух зданий. Первым был Михайловский замок, о котором упоминалось в статье о Русском музее. Вторым стал Казанский собор, возведённый в 1811 году в честь иконы Казанской Божьей Матери. Хотя Павел I не успел заложить первый камень в основание кафедрального собора — он был убит в марте 1801 года, а работы начались в августе при Александре I — храм был построен согласно его утверждённому проекту.
На месте Казанского собора ранее находилась церковь Рождества Богородицы, используемая для царских богослужений. Здесь вступил в брак Павел I с первой супругой Натальей Алексеевной, которая, к сожалению, скончалась при родах.
Среди каменных дворцов аристократов небольшая деревянная церковь выглядела непривлекательно, и было решено возвести новое здание, соответствующее статусу императорской семьи. Из нескольких предложенных проектов Павел I выбрал вариант, стилизованный под римский собор Святого Петра, который он увидел в Европе.
Строительство было поручено архитектору Андрею Никифоровичу Воронихину, который также занимался проектами для Горного института и Строгановского дворца. В советский период в соборе разместили Музей истории религии и атеизма, а после распада Союза его вернули епархии, и богослужения были возобновлены.