Собор иконы Казанской Божией Матери отличается от Свято-Екатерининской церкви простотой и строгостью форм. Не обремененный множеством архитектурных элементов, храм кажется легким, стройным, стремящимся в небо. Это впечатление создают полукруглые завершения стен, тонкие изящные колонны по углам здания, купол, напоминающий шлем русского воина, световой барабан с десятью арочными окнами. Над входом три соединенные между собой арки, в двух боковых - устроены окна, а в средней части - храмовая икона.
История Казанского собора тесно связана с Топловским монастырем. Граф Николай Федорович Гейден пожертвовал обители свою дачу "Кафа" в Феодосии, чтобы здесь устроили подворье монастыря. Жители города в 1892 году выделили участок земли в 689 квадратных саженей рядом с дачей для возведения храма в память чудесного спасения царской семьи при крушении поезда 17 ок тября 1888 года. Но средств на строительство храма не было, поэтому баронесса Мария Петровна Фредерике, фрейлина императрицы, и Марфа Степановна Сабинина подарили переносную церковь, которая находилась ранее в южнобережном имении Кастрополь. 22 октября церковь была освящена архиепископом Мартинианом в честь великомученика и целителя Пантелеймона.
В 1890 году благодетель Топловского Свято-Параскеви-евского монастыря граф Н. Ф. Гейден передал в дар икону Казанской Божией Матери.
Эта икона появилась чудесным образом в городе Казани после взятия его войсками Иоанна Грозного в 1579 году. Девятилетней девочке приснился сон, в котором ей явилась Богоматерь и велела откопать икону со Своим изображением. По указанию девочки икону нашли в земле под печью, куда она была спрятана христианами от татар-мусульман. Богоматерь изображена держащей слева Богомладенца, Который представлен не сидящим, а в строго фронтальной позе, его фигура изображена по колени. Икону торжественно перенесли в церковь святого Николая, где она прославилась исцелением святых, В Казани на месте явления иконы был основан женский монастырь. Память Казанской иконы Божией Матери празднуется 21 июля и 4 ноября.
С Казанской иконы Божией Матери, находившейся в Петербурге, в Казанском соборе, были сделаны списки. Один из таких списков передавался по наследству в семье графа Н. Ф. Гейдена. В честь чудесного избавления царской семьи при крушении поезда в Борках граф пожертвовал семейную реликвию Топловскому Параскевиевскому монастырю. Икону, украшенную серебром и золотом, жемчугом и драгоценными камнями, торжественно доставили в Крым. Жители Феодосии обратились в Святейший Синод с просьбой приносить икону крестным ходом и оставлять в городе с 17 октября по 22 октября. Разрешение было получено, и каждый год икону Божией Матери крестным ходом несли из обители в Феодосию. 16 октября икона прибывала на монастырское подворье, а на следующий день ее торжественно переносили в Александро-Невский собор. Там икону встречали священники с иконой Знамения Пресвятой Богородицы. Это был праздничный день для всех жителей Феодосии, даже татары почитали Богоматерь и просили у нее здоровья. 22 октября так же торжественно икона возвращалась в монастырь.
На рубеже столетий, в 1907 году, на феодосийском подворье Топловского монастыря вместо деревянной церкви построили каменный собор, который освятили в честь Казанской иконы Божией Матери, В лихие революционные годы храм был разграблен и долгое время пустовал. Богослужения в Казанском соборе возобновились в 1943 году и с тех пор не прекращались. В пятидесятые годы храм обновили при активном участии архиепископа Симферопольского и Крымского святителя Луки (Войно-Ясенецкого), он провел в соборе торжественное богослужение.