Казанские старообрядцы белокриницкого согласия, принадлежавшие к Древлеправославной Церкви Христовой, получили возможность построить в городе свой храм только после издания 17 апреля 1905 года манифеста императора Николая II «Об укреплении начал веротерпимости».
В ноябре 1906 года был открыт подписной лист пожертвований на строительство храма. Средства на его строительство жертвовали десятки казанских и московских купцов. Храм был заложен в июле 1907 года. Строительством храма руководили два казанских старообрядческих священника — Пётр Данилович Залетов и Алексей Иванович Калягин.
6 сентября 1909 года, по старому стилю, храм был освящён во имя явления иконы Владычицы нашей Богородицы во граде Казани.
В храме под приделом были погребены епископ Казанский и Вятский Иоасаф и о. П. Д. Залетов. Обнаружить место их погребения удалось только в 2016 году.
А. И. Калягин служил в Покровском храме с момента его строительства вплоть до закрытия в советское время.
В мае 1922 года Комиссия по фактическому изъятию церковных ценностей конфисковала из Покровского собора более двух пудов серебра в виде окладов с икон, кадил, сосудов, монет и т. д. Через несколько лет храм был закрыт.
Позднее храм был передан Центральному государственному архиву ТАССР, здесь размещались документы отдела дореволюционных фондов. Во время Великой Отечественной войны в нём была также размещена часть эвакуированных в Казань архивов. По воспоминаниям Василия Кириллова, все здание было заставлено стеллажами с эвакуированными в Казань документами, а сам храм представлял собой закрытое место, обнесенное со всех сторон бетонным забором.
Постановлением Кабинета министров Республики Татарстан № 642 от 1 августа 1996 года «О передаче памятника архитектуры республиканского значения, здания Покровской Старообрядческой церкви» церковь была передана «в пользования зарегистрированному религиозному обществу старообрядцев Белокриницкого согласия» «для удовлетворения религиозных потребностей верующих».
В 1997 году была восстановлена Казанско-Вятская епархия РПСЦ. Покровский храм стал кафедральным, началась его постепенная реставрация.
Епископ Казанский и Вятский Андриан решил создать музей при храме. По словам протоиерея Геннадия Четвергова, «Мы с ним обсуждали, что досадно, что только мы видим такие редкие иконы и книги. Хотелось поделиться, показать их людям, чтобы они могли посмотреть и почувствовать благодать, которая исходит от всех этих церковных святынь».
Из-за их незавершённости реставрационных работ в конце 2009 года не удалось провести в этом храме Освящённый Собор.
6 декабря 2016 года перед Покровским собором открыт памятник митрополиту Андриану, выполненный коллективом группы компаний «Ирэк».
