Собор Казанской иконы Божией Матери был построен в центре двора Ярославского Казанского женского монастыря в 1835-1845 г.г. Собор стоит в центре Ярославского Казанского женского монастыря на месте снесенной за ветхостью старой Казанской церкви. Строился «на сумму доброхотных дателей» по проекту архитектора Авраама Ивановича Мельникова в стиле позднего классицизма. Основное строительство велось 1835-1838 г. За ходом работ было поручено наблюдать губернскому архитектору Петру Яковлевичу Панькову. При постройке нового здания собора был использован кирпич от разборки теплой церкви упраздненного в 1828 г. Борисоглебского прихода.
Массивное здание собора решено в позднеклассических формах. Колонны и полуколонны украшают не только входы в храм и простенки между окнами, но и главы, имеющие форму восьмиугольных башен. Собор был расписан в 1840 г. артелью Т. Медведева и имел трехъярусный резной иконостас с колоннами. Освящение соборного храма во имя иконы Казанской Божией Матери прошло в 1845 г.
В мае 1837 г. Ярославский Казанский монастырь посетил цесаревич Александр Николаевич, будущий император Александр II. 8 июля 1892 г. в соборе Ярославского Казанского монастыря сослужил архиепископу Ярославскому и Ростовскому Иоанафану святой праведный Иоанн Крондштадтский. 7-8 июля 1910 г., в дни празднования 300-летия Казанского монастыря, торжественное богослужение в Казанском соборе возглавлял архиепископ Ярославский и Ростовский Тихон, с 1917 по 1922 г.г. Патриарх Московский и Всея Руси. В 1916 г. 21 и 22 октября в Казанском соборе служил архиепископ Ярославский и Ростовский Агафангел, с 1922 по 1926 .г. — патриарший местоблюститель.
После событий июльского белогвардейского мятежа 1918 г. монастырь был упразднен, все имущество изъято, монахини отправлены в Толгский монастырь, где пребывали до его закрытия. В 1919-1922 г.г. на территории обители был устроен концентрационный лагерь. В 1928 г. в Казанском соборе на высоте 9 метров было сооружено железобетонное перекрытие для 2-го этажа и размещен Государственный архив Ярославской области. Главы и кресты со всех храмов были сброшены, колокольню разрушили.
В начале 1990-х годов еще невозвращенный Церкви Казанский собор постепенно, одной за другой, увенчался пятью золочеными главами. В 1997 г. возобновилась богослужебная жизнь обители. Как приходской храм был открыт собор. Богослужения совершались в подклете. В 1998 г. монастырь был вновь открыт. В 1999 г. архивохранилище переведено в Рыбинск, Казанский собор освободился. Началась его долгая и кропотливая реконструкция. Основные работы были проведены при поддержке ОАО «Ярославский технический углерод» и его генерального директора, впоследствии председателя совета директоров, Вадима Юрьевича Орлова. На его средства было разобрано железобетонное перекрытие, вычинены стены, сделан мраморный пол, устроен иконостас. Роспись алтаря Казанского собора выполнили ярославские художники Александр Николаевич Сериков, Михаил Анатольевич Кирильчев и Алексей Васильевич Смирнов. Эта их работа отмечена областной премией за достижения в области культуры им. Александра Опекушина.
В 2000-е г.г. в течение нескольких лет, пока шло строительство Успенского собора, Казанский собор выполнял роль кафедрального. Именно здесь проводил все основные архиерейские службы архиепископ Ярославский и Ростовский Кирилл Наконечный.
В Казанском соборе хранятся список чудотворной иконы Божией Матери Казанской, саркофаг с мощами святителя Агафангела. В соборе создан небольшой музей, посвящённый жизни и служению архиепископа Ярославского и Ростовского Михея.
