Этот святой уголок был основан благодаря благотворительности старосты Санкт-Петербургского Казанского собора графа Николая Гейдена, который в 1887 году передал свою дачу «Кафа» в Феодосии под управление Топловского Свято-Троице Параскевиевского монастыря.
В 1890 году Священным Синодом Русской Православной Церкви этот дар был утверждён для устройства церкви во имя Казанской иконы Божией Матери и начальной школы для девочек.
В 1892 году рядом с дачей жители города выделили участок земли для строительства храма в память о чудесном спасении царской семьи при крушении поезда 17 октября 1888 года. Однако средств на строительство не хватало. В этой непростой ситуации баронесса Мария Фредерикс и основательница Российского Красного Креста Марфа Сабинина подарили городу переносную церковь, ранее находившуюся в южнобережном имении Кастрополь. Эта церковь была освящена епископом Мартинианом в честь великомученика и целителя Пантелеимона.
26 июля 1890 года из Топловской обители в Феодосию был проведен крестный ход с Казанской иконой Божией Матери, что впоследствии стало ежегодной традицией, хотя она была прервана в советское время. В 1907 году деревянная церковь была разобрана, и началось строительство каменного собора по проекту феодосийского архитектора Генриха Кейля в традициях русско-византийского стиля. Собор был освящен в 1911 году при участии епископа Таврического и Симферопольского Феофана.
Собор пережил времена забвения и разрушения, но всегда восстанавливался как символ надежды и веры. В 2004 году по инициативе игумении Параскевы, настоятельницы Топловского монастыря, и по благословению митрополита Симферопольского и Крымского Лазаря была восстановлена традиция крестных ходов с Казанской иконой Божией Матери из Топловской обители в Феодосию. В 2011 году, в честь столетия собора, была проведена его реконструкция. Сегодня он восхищает своей величественной архитектурой, строгой росписью и уютным садом, который окружает его.
С образованием самостоятельной Феодосийской епархии Казанский собор стал кафедральным храмом новой епархии.
Архитектура собора отличается лёгкостью и изяществом, что достигается благодаря полукруглым завершениям стен и тонким колоннам в углах здания. Купол собора выполнен в византийском стиле и напоминает шлем русского воина. Световой барабан содержит десять арочных окон. Внутреннее убранство собора украшено художественной росписью, на которой изображены евангельские сюжеты с изображениями Иисуса Христа и Девы Марии, святых великомучениц Екатерины и Варвары, а также святого великомученика Пантелеймона.
В 2023 году были проведены работы по реновации алтарной части: были заменены престол, жертвенник и напольное покрытие.