Казанский собор строился очень быстро по проекту архитектора Андрея Никифоровича Воронихина с 1801 по 1811 гг. Собор построен в стиле ампир, в подражание храмам Римской империи. В его архитектуре сочетаются формы базиликального (чисто римского) и крестово-купольного храма. Здание вытянуто в запада на восток в форме четырехконечного латинского креста и в средокрестии увенчано стройным куполом. Он возводился на месте церкви  Рождества Богородицы. В этой церкви хранилась одна из главных петербургских святынь — чудотворная икона Казанской Божией Матери. Строился собор по воле  Павла I и именно для этой иконы. По желанию Павла I внешними очертаниями собор напоминает храм Святого Петра в Риме. Российский "град святого Петра" должен стать северным Римом. Именно в столице Великой Православной Империи должен быть храм, подобный римскому. Но поскольку в столице уже был храм во имя святого апостола Петра, то новый храм должен быть посвящен Пресвятой Богородице. В ноябре 1800 года Павел I повелел воздвигнуть вместо церкви Рождества Богородицы соборный храм во имя Казанской иконы Божией Матери. Этому решению предшествовал конкурс на лучший проект нового храма, проведенный в 1799 г. В этом конкурсе участвовали: выдающийся зодчий строгого классицизма Чарльз Камерон, только что прибывший в Россию архитектор Жан Тома де Томон и живописец-декоратор, мастер паркостроения, Пьетро Гонзаго. Однако ни одному из конкурсантов не удалось найти решения, которое бы удовлетворило требованию монарха включить в проект колоннаду, подобную римской. 14 ноября того же года император утвердил другой проект Казанского собора, составленный малоизвестным русским зодчим А.Н.Воронихиным. К январю 1801 года была составлена расходная смета и определены сроки строительства. Павел собственноручно определил жалование архитектору три тысячи рублей в год. Сумма по тем времена большая, учитывая, что рабочий каменщик получал не более трехсот рублей в год.

         Строительство самого собора началось уже при следующем императоре Александре I.  Он положил первый кирпич с вензелем и серебряной лопаточкой плеснул на него раствор извести. Собор строился из материалов исключительно отечественного, преимущественно карельского, происхождения. Условия труда были крайне тяжелые, техника практически отсутствовала. Несмотря на это, в течение десяти лет был возведен самый большой в то время храм Санкт-Петербурга — высотой 71.5 м с уникальными внутренними и внешними колоннами, высеченными из огромных гранитных монолитов, весом до 30 тонн каждая, выдающийся памятник русской архитектуры. Казанский собор — одно из самых высоких купольных зданий. Купол поддерживается четырьмя мощными столбами — пилонами. Диаметр купола превышает 17 м. При его сооружении Воронихин впервые в истории мировой строительной практики разработал и применил металлическую конструкцию.
           Снаружи и внутри собор богато украшен скульптурой, которую создавали лучшие российские скульпторы. Наружные бронзовые скульптуры, выполненные Пименовым, Мартосом и Демут-Малиновским, представляют святых Владимира, Андрея Первозванного, Иоанна Предтечу и Александра Невского. Они отлиты талантливым мастером Екимовым. Им же отлиты из бронзы северные двери собора, являющиеся точной копией дверей, выполненных скульптором Гиберти для крестильного дома во Флоренции в XV в. Рельефные скульптурные работы и снаружи и внутри созданы скульпторами Гордеевым, Рашеттом, Прокофьевым и другими.
               Во внутренней отделке собора Воронихин широко использует мрамор из Олонецкой и Выборгской губернии, а также порфир, яшму и особенно финский гранит, добывавшийся в районе Пютерлакса под Выборгом. Основанием здания служит высокий цоколь из крупных монолитов серого сердобольского (сортавальского) гранита. Пол внутри здания облицован серым рускеальским мрамором из-под Сортавалы и розовым белогорским мрамором (из-под Кондопоги в Карелии). Полы и ступени алтаря, амвона, царского места облицованы малиновым шокшинским кварцитом (Карелия). Эта же порода вместе с черными шунгитовыми сланцами была использованы в виде вставок в полах собора. Кроме того, в отделке собора использованы эстонские доломиты, алтайские порфиры и другие породы исключительно отечественного происхождения. Особого внимания заслуживает внутренние колонны собора, являющиеся одновременно его главной несущей частью и главным декоративным украшением. Воронихин сам побывал на приисках и карьерах, где добывался камень, применяемый при строительстве собора.. Посетив эти места, Воронихин пришел к выводу, что прочный и красивый выборгский гранит станет лучшим материалом для изготовления колонн в интерьере строящегося собора. Внутри храм имеет форму римской базилики, разделенной четырьмя рядами гранитных монолитных колонн коринфского ордера на три коридора — нефа. Неотъемлемой частью интерьера собора является живопись. Художники конца XVIII — начала XIX вв. К. Брюллов, Бруни, Басин, Шебуев, Боровиковский, Угрюмов, Бессонов и другие расписывали иконостас собора, его стены, подкупольные столбы — пилоны. Все эти прекрасные работы выполнены в академическом стиле, в манере, подражающей мастерам эпохи итальянского Возрождения. Наиболее замечательной живописной работой в храме является запрестольный образ "Взятие Богородицы на небо" кисти К.П. Брюллова.
           Казанский собор стал первым в России храмом, построенным русским архитектором в чисто европейском стиле. В нем архитектура, скульптура и живопись соединились в неповторимой гармонии и изяществе. Указом патриарха Алексия II от 31 декабря 2000 года собору был присвоен статус кафедерального, и он стал главным храмом Санкт-Петербургской епархии Русской православной церкви. 25 сентября 2011 года Казанский Кафедеральный Собор отмечал 200 летие со своего основания.