Из предания, подтверждаемого древней надписью, записанной уставом на деревянной доске и хранящейся в Ключевской церкви, видно, что в роднике или ключе недалеко от села Четвертакова в 1707 году явилась Казанская икона Божией Матери. Населявшая окрестности этого села мордва, пребывавшая в то время в язычестве, видя бывшие от явленной иконы чудотворения, уверовала в истинного Бога и приняла святое крещение.
Вскоре было решено основать тут пустынь. Место было удобным: владельческие села Тургенево и Четвертаково располагались на почтовом тракте Саранск-Алатырь, а уездная столица Ардатов — в пяти верстах. Пустынь создавалась как загородный двор Алатырского Свято-Троицкого монастыря, приписанного, в свою очередь, к Троице-Сергиевой Лавре. Уже в 1708 году на ключе, по указу Троицкого монастыря, была построена первая деревянная Казанская церковь. В том же году 29 августа церковь была освящена приходским священником Иоанном.
В 1767 году обветшавшую церковь заменили на другую, тоже деревянную. Третий храм, каменный, строился с 1806 года уже не на источнике, а выше его, на холме. Алатырский архимандрит Авраамий, заложивший эту церковь, опирался на местную благотворительность, на приходы Тургенева и Четвертакова. Освящение летней части храма состоялось в 1807 по благословению епископа Казанского Павла Зернова.
Пустынь скоро стала центром паломничества и внесла свою лепту в христианское просвещение народов Поволжья. В первой половине XIX века почитание явленной Казанской иконы Божией Матери распространилось на соседние уезды. В 1848 году, во время эпидемии холеры, алатырцы потребовали от настоятеля Свято-Троицкого монастыря перенести образ в город, и архимандрит Иезекииль подчинился. Икона с крестным ходом отправилась в Алатырь, её обнесли с крестным ходом вокруг всего города, вскоре после чего болезнь начала стихать. В память об этом знаменательном событии ежегодно 9 августа в Алатыре проводился крестный ход, а в Ключевской пустыни служился благодарственный молебен. По специальному расписанию икону в сопровождении монахов и под охраной полиции носили по домам и отправляли в путешествия по уезду.
В течении XIX века постройки пустыни были не раз перестроены. В начале 1840-х годов четверик храма был дополнен трапезной, увеличившей его площадь почти вдвое. При храме вначале была деревянная звонница с 8-пудовым колоколом, а во второй половине века была построена колокольня. Бывшая деревянная церковь над родником превратилась в часовню и перестраивалась дважды.
В конце века в Казанской пустыни собралась иноческая община, которая была признана монашеским братством приписанным к Алатырскому Свято-Троицкому монастырю. Поток паломников к ключу ширился — до революции бывало, что весь склон монастырского холма был занят лежащими и сидящими больными, которые ждали очереди, чтобы искупаться в целебном источнике.
В 1930-х годах пустынь была закрыта, монахи изгнаны, деревянная часовня и колокольня уничтожены. Храм пустыни был повреждён, но сохранился. Поток богомольцев и искателей излечения в эти места не прекратился и в советские годы. К концу 1980-х годов Казанская церковь пришла в аварийное состояние: во многих местах кладка оказалась разрушенной протечками, внутреннее пространство деформировано, росписи испорчены, глава снесена, кровля наполовину сорвана.
С учреждением Саранской епархии был поставлен вопрос о возрождении Ключевской пустыни. Синодальным решением от 27-28 декабря 1993 года мужская обитель была вновь открыта. Храм был восстановлен и украшен, был возведена колокольня, два деревянных корпуса, каменный келейный корпус с домовой церковью. Были созданы гостиничные номера для паломников, число которых росло на протяжении 1990-2000-х годов. Над источником была поставлена деревянная часовня с купальней.
22 июля 2011 года патриарх Московский и всея Руси Кирилл освятил новый паломническо-просветительский центр пустыни.
Храм, славящийся своим благолепием, восстановлен и украшен, возведена колокольня, два деревянных корпуса, каменный келейный корпус с домовой церковью.
Имеются гостиничные номера для паломников, число которых постоянно растет.
Над источником поставлена деревянная часовня с купальней.