Ещё в 60–70-х годах ХХ века по Нижнему Тагилу ходила легенда, что церковь во имя иконы Божией Матери «Казанская» была построена по личному распоряжению императора Александра II и что деньги на её возведение жертвовала сама императрица Мария Александровна. И хотя эту легенду неоднократно разоблачали и светские, и церковные власти, некоторые продолжали в неё верить.
Церковь во имя Казанской иконы Пресвятой Богородицы появилась в Нижнем Тагиле в 1857 году на месте старообрядческой часовни, построенной ещё в 1782 году и известной на Вые под именем «Уткинская». Первоначально церковь была однопрестольной и деревянной, но ближе к концу XIX века её решили перестроить в каменную. Перестройка храма завершилась в 1911 году.
После революции 1917 года и окончания Гражданской войны новые власти развернули кампанию по изъятию церковных ценностей из храмов, и Выйско-Казанскую церковь определили под склад: сюда свозили все ценности из других церквей тагильского округа. Здесь же изъятые артефакты сортировали: изделия из золота, платины, серебра, драгоценные камни изымались и отправлялись в Гохран, а иконы, церковные книги и прочую церковную утварь описывали и оставляли в храме. Выйские старожилы рассказывали, что места в Выйско-Казанской церкви было мало, и наиболее ценные иконы и книги настоятель разрешал прихожанам забирать домой.
Из всех церквей Нижнего Тагила Советы решили оставить для верующих именно эту, на их взгляд, самую маленькую и бедную. Не последнюю роль сыграло и то, что настоятель храма, протоиерей Конон Кондратьев, с 1918 года служил в Красной Армии, принимал участие в боях и в 1920-м был комиссован по ранению. Ходили слухи (впрочем, не подтверждённые), что брат протоиерея был членом областного реввоенсовета. Какое-то время новая власть церковь не трогала, но в 1930 году исполком принял постановление о закрытии храма и открытии в его помещении столовой для рабочих ВМЗ. Постановление вскоре отменили по неизвестной причине. В 1935 году, после закрытия Свято-Троицкой единоверческой церкви в Казанскую общину влилась троицкая община. Церковь осталась единственной действующей в Нижнем Тагиле.
Власти запретили колокольный звон, крестные ходы, продажу религиозной литературы и любую религиозную агитацию. На церковь и общину оказывалось давление со стороны атеистических организаций. Давление на верующих ослабло лишь в сентябре 1943 года, после того как Сталин встретился в Кремле с митрополитами Сергием Страгородским, Алексием Симанским и Николаем Ярушевичем. Но и после этого напряжённость в отношениях между церковью и властями оставалась. В 1958 году Казанская церковь получила статус собора. Тогда же здание церкви впервые капитально отремонтировали.
В настоящее время в храме хранится множество старинных икон, в том числе и афонские: во имя Божией Матери «Иверская», «Скоропослушница», «Неопалимая Купина», Святого Пантелеимона Целителя». В мощевике храма имеются частицы мощей 36 святых и частица древа Креста Господня.
