Основание церкви связывают со строительством Вологодского кремля по инициативе Ивана Грозного. Иван Слободской в «Вологодском летописце» говорит, что в 1566 году царь «повелел заложить град каменной, и его, великого государя, повелением заложен град апреля 28 день, на памяти святых апостол Иасона и Сосипатра». С этой датой историк Н.И. Суворов связывал и закладку деревянной церкви в честь святых Иасона и Сосипатра, ставшей предшественницей Казанского храма. Церковь находилась недалеко от царского дворца, домовой церковью дворца был храм Иоакима и Анны, впоследствии переосвящённый в Покровский.
Топоним «на Торгу» вошёл в употребление в XX веке в связи с находившимся рядом рынком. Торговые ряды в непосредственной близости от Казанской церкви находились с XVII века. В XVII веке в названии церкви употребляется топоним «возле Рыбного ряда», а позднее «на Болоте», связанный очевидно с болотистой местностью.
В 1605 года церкви Иоакима и Анны, Иасона и Сосипатра, а также царский дворец были уничтожены пожаром.
В 1760 году был построен существующий каменный храм. В XVIII веке он был расписан, по предположению ряда исследователей, живописцами Спасо-Прилуцкого монастыря Яковом Алексеевым Коростиным и его сын Федором. Позднее росписи были поновлены. В 1820 году Казанская церковь была приписана к церкви Покрова на Торгу. В 1832 году переоборудована в тёплый храм с проведением службы только зимой. Летом служба происходила в Покровской церкви. С этого времени приход называется Покрово-Казанским. 14 мая 1907 года по пути в родное село Сура Божественную литургию в храме совершил Иоанн Кронштадтский. Это было последнее посещение святым Вологды.
4 июня 1929 года церковь была закрыта. В июне того же года прошение о передаче здания одновременно подали две организации — рабочего кооператива «Вологжанин», для кондитерского производства, и Селькредсоюза, для устройства тракторно-ремонтной мастерской. Однако власти решили предназначить помещение под хранение документов из бывших уездов для Окрархивбюро. В 1930-х годах храм лишился своего завершения, а в конце 1940-х – начале 1950-х годов была разобрана шатровая колокольня. Во время разрушения она частично повредила трапезную. До 1970-х годов в здании храма размещались торговые конторы, для торговли молочными продуктами. После перевода городского базара в другое место, рассматривался вопрос о строительстве на Торговой площади высотного административного сооружения и одновременно — сносе храмовой постройки. Однако в итоге власти отказались от первоначальных планов и построили новое здание облисполкома на улице Герцена, ныне здание областного правительства.
Восстановление храма было предпринято в начале 1990-х годов настоятелем Церкви Покрова на Торгу протоиереем Василием Павловым и общиной во главе с Д.Н. Тихомировой. Началось возрождение Покровско-Казанского прихода. В 1992 году полуразрушенное здание Казанской церкви, без колокольни и куполов, было передано Покровской общине. 20 февраля 1995 года Указом Президента Российской Федерации Казанский храм был поставлен на государственную охрану в качестве объекта культурного наследия федерального значения. В 2000-е годы начата реставрация храма по проекту архитектора Г.П. Белова. Были восстановлены главы и деструктивные участки кладки, начата реставрация колокольни. 16 июня 2014 года вокруг храма был образован отдельный приход. 20 июля 2014 года в храме прошло первое богослужение — молебен перед Казанской иконой Божией Матери. 11 мая 2015 года митрополит Вологодский и Кирилловский Игнатий совершил первую за 86 лет со времени закрытия церкви Божественную литургию. В сентябре 2017 года завершился монтаж иконостаса в приделе святых апостолов Иасона и Сосипатра. В храме продолжаются восстановительные работы.
