Строительство храма началось в 1773 году. Трехпрестольный Казанский храм построен в стиле русского, или провинциального, барокко. Казанский и Никольский приделы были холодные для летнего времени, а Стефановский устроен теплый для зимнего. Стефановский придел был наименован чудесным образом. Когда преподобная Александра молилась, прося Господа указать, во имя кого освятить третий престол церкви, раздался голос, возвестивший, что его надо будет посвятить первомученику архидиакону Стефану. На подоконнике кельи матушка обрела чудесно и неизвестно откуда явившийся образ этого святого, написанный на простом, почти неотесанном обрубке дерева.
Освящение Казанской церкви было совершено строителем иеромонахом Пахомием «соборне», вероятнее всего, в воскресенье, 19 января по старому стилю, в день памяти преподобного Макария Египетского. Незамедлительно, уже на следующий день, 20-го числа, отец Пахомий написал письмо Преосвященному Симону с сообщением об освящении Казанской церкви. Посвящение первого храма обители Казанской иконе Божией Матери напоминает о том, что Дивеево находится в земном жребии Пресвятой Богородицы, и о тех великих милостях, которые Царица Небесная постоянно являет обители с первых ее дней. Новая каменная церковь была приходской, однако преподобный Серафим Саровский говорил, что со временем это будет теплый монастырский собор со множеством пристроек и приделов, наподобие Иерусалимского храма.
Колокола с Казанской церкви были сброшены летом 1928 года еще при действующем храме. В 1940 году были сняты с церкви кресты и уничтожены верхушки купола и колокольни. Случайный прохожий едва ли мог разглядеть во внешнем облике этого строения замечательный памятник архитектуры русского барокко. Церковь представляла протяженное одноэтажное здание, перекрытое двускатной крышей, с большим количеством оконных проемов разной величины. Сначала в ней разместили общежитие педтехникума, потом мастерские, и очень долго в храме был склад. В 1992 году Казанская церковь была передана монастырю. В 1996 году в четверике храма отмыли старинные фрески на евангельские сюжеты работы дивеевских сестер. В преддверии торжеств, посвященных 100-летию прославления преподобного Серафима Саровского, готовить Казанский храм к восстановлению не планировалось, однако по предложению директора концерна «Росэнергоатом» Э.Н. Поздышева и по благословению епископа Нижегородского и Арзамасского Георгия решено было начать его реставрацию.
14 июля 2004 года состоялся чин освящения и поднятия на ярусы колокольни Казанской церкви новых колоколов, главный из которых, весом в 2 тонны, украшен изображениями Казанской иконы Божией Матери, прпп. Сергия Радонежского, Серафима Саровского и свв. Царственных страстотерпцев. Были отреставрированы сохранившиеся росписи храма и созданы новые фрески, отражающие события истории Дивеевской обители. 31 июля 2004 года, накануне дня 250-летия со дня рождения преподобного Серафима, состоялось торжественное освящение главного престола восстановленной Казанской церкви. Чин великого освящения совершили митрополиты Минский и Слуцкий Филарет, Патриарший Экзарх всея Беларуси, Крутицкий и Коломенский Ювеналий, Калужский и Боровский Климент и собор архиереев. По окончании первой Божественной литургии во вновь освященном храме митрополит Филарет обратился к участникам богослужения со словами приветствия. Реставрацию внутренней штукатурки и живописи, а также новые настенные росписи выполняла бригада под руководством московского художника Ярослава Рылло, расписавшая храм преподобного Серафима в Сарове к торжествам 100-летия его прославления. Иконостасы изготовлялись бригадой резчиков под руководством И. Титова по проекту архитектора Т. Титовой. Иконописными работами руководил художник А. Анциферов. В трапезной части сделаны изображения фрагментов Дивеевской истории. В четверике сохранились старинные росписи дивеевских мастериц из живописной и иконописной мастерских. Строительные работы по возведению с северной и южной сторон новых восьми приделов Казанской церкви начались в апреле 2007 года и были закончены в сентябре. 20 июля 2008 года состоялось освящение первого придела церкви в честь Казанской иконы Божией Матери. Он был освящен в честь священномученика Серафима, составителя «Летописи Серафимо-Дивеевского монастыря». 21 августа 2008 года владыка Георгий освятил еще один придел в Казанской церкви Серафимо-Дивеевского монастыря. Придел освящен в честь преподобных жен дивеевских Марфы, Елены и Александры. Освящение придела в честь дивеевских подвижниц и молитвенниц преподобномучениц Марфы и Пелагеи и преподобноисповедницы Матроны состоялось 2 октября. Придел в честь святых Царственных страстотерпцев архиепископ Нижегородский и Арзамасский Георгий освятил 3 декабря, а уже 11 декабря было совершено освящение придела во имя святых Дивеевских блаженных Пелагеи, Марии и Параскевы. С этого времени Казанская церковь стала именоваться собором. Росписи придельных храмов выполнены художниками нижегородской мастерской «Ковчег» под руководством Алексея Анциферова. В Казанском соборе почивают святые мощи дивеевских блаженных Пелагии, Параскевы и Марии и преподобноисповедницы Матроны Власовой. В памятные дни этих святых здесь совершаются праздничные богослужения в их честь и молебны им.
