Храм назван в честь сгоревшей ранее деревянной церкви Полтавского поселка, ныне часть г. Карталы. Имя первой церкви дала икона Божьей Матери Табынская, казаки, строившие её, были родом из станицы Табынской, которую казаки называли Казанской. Эта икона была широко известна всему Зауралью своим чудотворным явлением. Дважды, в 1890 году и в 1905 году, в Успенский пост в храме Полтавского посёлка останавливалась чудотворная Табынская икона Божией Матери.
История церкви начинается в 1852 году, когда казаки Полтавского поселка приняли решение о строительстве молитвенного дома. В 1854 году часовню преобразовали в церковь. Церковь была достроена и освящена в 1861 году в честь Казанской иконы Божьей Матери. В 1891 году в поселке Полтавка случился сильный пожар, сгорел почти весь поселок, в том числе и деревянная церковь.
Примерно в 1900 году началось строительство нового каменного храма. Храм строился на деньги сельчан, но большую часть расходов взял на себя купец Андрей Михайлович Зайцев, а продолжил дело его сын. Храм был возведен к 1903 году, а спустя 8 лет, 17 июня 1911 протоиерей Михаил Скопин освятил его. Храм был действующим до 1929 года, после чего закрыт советскими властями: была разрушена колокольня, сняты колокола, а внутреннее убранство разграблено. В уцелевшем здании храма обустроился клуб «1 мая».
Только 1988 году православная община смогла добиться возращения здания храма. Новое освящение храма произошло лишь 28 января 1996 года. Освящал храм епископ Челябинский и Златоустовский Георгий Грязнов. Трехпрестольный каменный храм построен в русском стиле, по типу приходских храмов середины XVII века. Церковь расположена в центре города на изначальном историческом месте и признана памятником архитектуры.
В 2004 году в храме начинаются существенные изменения. Благолепный вид принимает иконостас, этому способствует художник-иконописец Александр Адегов. Для расширения пространства внутри храма убирают перегородку, отделяющую притвор. Расписываются стены храма художником Михаилом Евдокимовым. Правый и левый клирос заменяет балкон над входом. Внешний облик меняется добавлением двух престолов, освящены они были в 2006 году 15 апреля о. Алексием соборно с другими священниками. Из Псково-Печерского монастыря и Собора Преподобных Псково-Печерских паломником Стефаном Бахмутом привезены две иконы с частицами святых мощей.
На протяжении 2007 и 2008 годов была облагорожена территория вокруг храма, восстановлена колокольня, возведены новые купола с крестами. Закончилась реконструкция храма в 2010 году снесением пристроя, который нарушал каноническую форму креста.
