Построен на средства екатеринбургского купца Я. М. Рязанова в юго-восточной части города на углу существовавшей тогда Сенной площади и Сибирского проспекта (сегодня − улица Куйбышева). Собор был одним из самых богатых в городе: в 1920 году в рамках борьбы с религией большевиками из храма было изъято пять пудов серебра и оклад иконы Казанской Божьей Матери со 132 бриллиантами. В 1930 году храм был закрыт, колокольня и купола снесены, а в здании в разное время располагались кинотеатр, ткацкая фабрика и ДК «Автомобилист». Здание было возвращено церкви лишь в 1996 году. В течение четырёх лет храм восстанавливался, а 24 сентября 2000 года был освящён и открыт.
После восстановления в 2000 году, собор был освящён лично Патриархом Алексием II.