Здание Казанского собора было построено по проекту А.Н. Воронихина. Его строительство продолжалось с 1801 по 1811 годы. Собор украшен колоннадой, которая состоит из 96 коринфских колонн, поставленных в четыре ряда. Тело собора скрывается за ее изогнутыми крыльями. Уравновешивает эту массу камня стройный купол с внутренним диаметром 17 м. Он целиком собран из кованого железа и покрыт белой жестью. Это был новый и рискованный прием для того времени. Контролировавший строительство собора архитектор И.Старов сомневался в прочности купола. Воронихин точными расчетами доказывал надежность своей конструкции, но для того, чтобы окончательно развеять все сомнения, ему пришлось сделать точную модель будущего храма, которая выдержала нагрузку, во много раз превышающую естественную.

Архитектор так же планировал возвести симметричную колоннаду с южной стороны храма, однако, этот проект не был осуществлен. Казанский собор был построен усилиями исключительно русских мастеров. Бригадой каменщиков руководил Самсон Суханов. В отделке храма использовались в основном только отечественные материалы: олонецкий мрамор, выборгский и сердобольский гранит, рижский известняк. В наружной облицовке стен – пудожский известняк, из карьера близ деревни Пудость близ Гатчины.

Бронзовые двери входа с северной стороны здания являются копией дверей баптистерия (крестильного дома) во Флоренции, работы Лоренцо Гиберти (XV век). Их отливку и чеканку осуществил Василий Екимов. Иконы для Казанского собора были написаны В.Боровиковским, О.Кипренским, А.Ивановым и другими известными художниками.