Собор был построен в 1555-1561 годах по приказу Ивана Грозного в память о взятии Казани и победе над Казанским ханством, которые случились именно в день Покрова Пресвятой Богородицы - в начале октября 1552 года. Существует несколько версий о создателях собора. По одной из версий, архитектором был известный псковский мастер Постник Яковлев по прозвищу Барма.

По другой, широко известной версии Барма и Постник - два разных архитектора, оба участвовавших в строительстве. Но эта версия ныне уже устарела. По третьей версии, собор был построен неизвестным западноевропейским мастером (предположительно итальянцем, как и ранее - значительная часть сооружений Московского Кремля), отсюда и столь неповторимый стиль, сочетающий в себе традиции как русского зодчества, так и европейского зодчества эпохи Возрождения, но эта версия пока так и не нашла никакого чёткого документального подтверждения.

Согласно московским легендам, зодчие собора (Барма и Постник) были ослеплены по приказу Ивана Грозного, чтобы они не смогли больше построить второго подобного по красоте храма. Однако, если автором собора является Постник, то он не мог быть ослеплён, поскольку в течение нескольких лет после строительства собора участвовал в создании Казанского кремля.

Сам храм символизирует собой Небесный Иерусалим, однако значение цветовой раскраски куполов и по сей день остается неразгаданной загадкой. Ещё в прошлом столетии писатель Чаев предположил, что цвет куполов храма можно объяснить сном блаженного Андрея Юродивого (Константинопольского) - святого подвижника, с которым, по церковному Преданию, и связан праздник Покрова Божией Матери. Ему привиделся Небесный Иерусалим, и там «были сады многие, в них древа высокие, колеблющиеся своими вершинками… Одни из деревьев цвели, другие златовидною листвою были украшены, иные имели плоды различные несказанной красоты».

Первоначально собор был покрашен «под кирпич». Позднее он перекрашивался, исследователи обнаружили остатки рисунков, изображающих ложные окна и кокошники, а также сделанные краской памятные надписи. В 1588 году к храму была пристроена церковь Василия Блаженного, для устройства которой в северо-восточной части собора были заложены арочные проёмы. В архитектурном отношении церковь представляла собой самостоятельный храм с отдельным входом. В конце XVI века появились фигурные главы собора - взамен первоначального покрытия, сгоревшего во время очередного пожара. Во второй половине XVII века во внешнем облике собора произошли существенные изменения - окружавшую верхние церкви открытую галерею-гульбище перекрыли сводом, а над белокаменными лестницами возвели крыльца, украшенные шатрами.

Какой бы сложной ни казалась конструкция храма, на самом деле она очень логична. В центре композиции находится главная шатровая Покровская церковь, вокруг которой помещены восемь других столпообразных с купольным завершением церквей. В плане собор образует восьмиконечную звезду. Большие церкви расположены по углам ромба. Ромб, вписанный в квадрат, таково строение храма. Восьмиконечная звезда в христианской символике несёт глубокий смысл - она символизирует всю христианскую церковь, которая является путеводной звездой в жизни человека к Небесному Иерусалиму.

Все элементы комплекса, включая и центральный, собственно Покровский собор, и большие и малые церкви соответствуют разным типам церковной архитектуры. Но их взаимодействие основано на нескольких композиционных элементах. Это сочетание восьмерика на четверике, или двух восьмериков, различного диаметра. Центральная часть – это два восьмерика на четверике, венчает конструкцию шатёр. Два восьмерика, увенчанные куполом – так можно описать архитектуру больших церквей. Малые церкви – восьмерик на четверике, увенчанный куполом над круглым барабаном. Хотя нижнюю часть малых церквей, их четверики, рассмотреть весьма проблематично, они скрыты за внешним декором – кокошниками.

По всему периметру храм украшен кокошниками, расположены они по разному, разного размера, но выполняют они одну функцию – сглаживают переход от четвериков в восьмерик. Собор построен по принципу нарастания высоты – центральный шатёр в два раза выше больших церквей, большие церкви – в два раза больше малых.

Высота храма составляет 65 метров. Собор состоит из храмов, престолы которых освящены в честь праздников, приходившихся на дни решающих боёв за Казань:

- Троицы.
- В честь святителя Николая Чудотворца (в честь иконы его Великорецкой из Вятки).
- Входа во Иерусалим.
- В честь мучеников Адриана и Наталии (первоначально - в честь священномучеников. Киприана и Иустины - 2 октября).
- Святителей Иоанна Милостивого (до XVIII - в честь святителя Павла, Александра и Иоанна Константинопольских - 6 ноября).
- Александра Свирского (17 апреля и 30 августа).
- Варлаама Хутынского (6 ноября и 1-я пятница Петрова поста).
- Григория Армянского (30 сентября).

Все эти восемь церквей (четыре осевые, четыре поменьше между ними) увенчаны луковичными главами и сгруппированы вокруг возвышающейся над ними девятой столпообразной церкви в честь Покрова Божией Матери, завершённой шатром с маленькой главкой. Все девять церквей объединены общим основанием, обходной (первоначально открытой) галереей и внутренними сводчатыми переходами.
Куполов всего одиннадцать, из них девять куполов над храмом.