Собор ікони Казанської Божої Матері відрізняється від Свято-Катерининської церкви простотою і строгістю форм. Не обтяжений великою кількістю архітектурних елементів, храм здається легким, струнким, що прагне в небо. Це враження створюють напівкруглі завершення стін, тонкі витончені колони по кутах будівлі, купол, що нагадує шолом руського воїна, світловий барабан з десятьма арочними вікнами. Над входом три з'єднані між собою арки, у двох бічних - влаштовані вікна, а в середній частині - храмова ікона.
Історія Казанського собору тісно пов'язана з Топловському монастирем. Граф Микола Федорович Гейден пожертвував обителі свою дачу "Кафа" у Феодосії, щоб тут влаштували подвір'ї монастиря. Жителі міста в 1892 році виділила ділянку землі в 689 квадратних сажнів поряд з дачею для зведення храму на згадку чудесного порятунку царської сім'ї під час аварії поїзда 17 ок тября 1888 року. Але коштів на будівництво храму не було, тому баронеса Марія Петрівна Фредерік, фрейліна імператриці, а Марта Степанівна Сабініна подарували переносну церква, яка знаходилася раніше в південнобережному маєтку Кастрополь. 22 жовтня церква була освячена архієпископом Мартініаном на честь великомученика і цілителя Пантелеймона.
У 1890 році благодійник Топловського Свято-Параскеви-евского монастиря граф Н. Ф. Гейден передав в дар ікону Казанської Божої Матері.
Ця ікона з'явилася чудесним чином у місті Казані після взяття його військами Івана Грозного в 1579 році. Дев'ятирічна дівчинка приснився сон, у якому їй явилася Богоматір і веліла відкопати ікону зі своїм зображенням. За вказівкою дівчинки ікону знайшли в землі під піччю, куди вона була захована християнами від татар-мусульман. Богоматір зображена що тримає ліворуч Богонемовля, Який представлений не сидить, а в строго фронтальній позі, його постать зображена по коліна. Ікону урочисто перенесли до церкви святого Миколая, де вона прославилася зціленням святих, В Казані на місці явлення ікони був заснований жіночий монастир. Пам'ять Казанської ікони Божої Матері святкується 21 липня і 4 листопада.
З Казанської ікони Божої Матері, яка перебувала в Петербурзі, в Казанському соборі, були зроблені списки. Один з таких списків передавався у спадок в родині графа Н. Ф. Гейден. На честь чудесного порятунку царської сім'ї під час аварії поїзда в Бірках граф пожертвував сімейну реліквію Топловському Параскевіевскому монастирю. Ікону, прикрашену сріблом і золотом, перлами і дорогоцінним камінням, урочисто доставили до Криму. Жителі Феодосії звернулися до Святійший Синод з проханням приносити ікону хресним ходом і залишати в місті з 17 жовтня по 22 жовтня. Дозвіл було отримано, і щороку ікону Божої Матері хресним ходом несли з обителі до Феодосії. 16 жовтня ікона прибувала на монастирське подвір'я, а наступного дня її урочисто переносили в Олександро-Невський собор . Там ікону зустрічали священики з іконою Знамення Пресвятої Богородиці. Це був святковий день для всіх жителів Феодосії, навіть татари шанували Богоматір і просили у неї здоров'я. 22 жовтня так само урочисто ікона поверталася до монастиря.
На рубежі століть, в 1907 році, на феодосійському подвір'я Топловського монастиря замість дерев'яної церкви звели кам'яний собор, який освятили на честь Казанської ікони Божої Матері , В лихі революційні роки храм був пограбований і довгий час був порожній. Богослужіння в Казанському соборі поновилися в 1943 році і з тих пір не припинялися. У п'ятдесяті роки храм оновили за активної участі архієпископа Сімферопольського і Кримського святителя Луки (Войно-Ясенецького), він провів у соборі урочисте богослужіння.