17 июля 1859 года было утверждено Общество для строительства Саратовской железной дороги императором Александром II. Однако, вскоре Общество решило ограничиться постройкой дороги только до Рязани.

Движение по участку от Москвы до Коломны открылось 20 июля 1862 года, до Рязани поезда пошли в 1865 году. Казанский вокзал строился на Каланчёвской площади одновременно с Ярославским вокзалом. Автором его проекта был архитектор М.Левестам, проектировавший и Ярославский вокзал. Дорабатывал проект Казанского вокзала архитектор Р.И. Кузьмин.

Главное здание вокзала было «берегового» типа – размещалось не в конце путей, а сбоку, параллельно им. Вокзал имел общую кровлю с дебаркадером над путями и платформами. В центре здания находилась башня с часами и шатровой крышей.

В 1890 – 1894 году Общество Московско-Рязанской железной дороги продлевает её до Казани, а не до Саратова, как было решено раньше. Вокзал получает название Казанского.

В 1911 году был объявлен конкурс на постройку нового вокзала, на котором были представлены три проекта – архитекторов А.В. Щусева и Ф. О. Шехтеля и художника Е. Н. Фелейзена.

Поразительно, но Щусев и Шехтель решили основную идею Казанского вокзала совершенно одинаково – как композицию из многих строений разного объёма и этажности, построенных в стиле русской национальной архитектуры, с высокой башней в центре.

Вокзал являлся грандиозным сооружением, выходившим тремя фасадами на Каланчёвскую площадь, Рязанский проезд и Новорязанскую улицу. Строительство его пришлось на сложные для России годы войн и революций. Временами работы останавливались из-за отсутствия рабочих рук. Щусев лично руководил строительством, его мастерская располагалась в недостроенном здании вокзала.

Главной доминантой вокзала является башня высотой 73 метра, аналогичная башне Сююмбике Казанского Кремля. Башня увенчана фигуркой змея Зиланта – древнего символа Казани. Слева от главной башни находится невысокая башня с часами, на циферблате которых изображены знаки Зодиака.

За часовой башней, параллельно Рязанскому проезду находились тёплый перрон - сейчас зал ожидания, и ресторан - ныне зал повышенной комфортности. Интерьер ресторана был оформлен в стиле дворцов русского барокко XVIII века - в нём Щусев использовал монументальную живопись, выполненную по эскизам художника Е.Лансере.

Основные работы по строительству вокзала завершились в 1926 году, однако, достройки продолжались до 1950-х годов, а комплекс Царской башни был закончен к концу 1980-х годов.

В 2016 году прошла реставрация здания вокзала в отношении фасадов и интерьеров периода 1940-х годов. Помимо основных работ проведена реставрация настенных фонарей, светильников и флагштоков из бронзы. Реставрации подлежали также исторические дубовые двери. В главной башне заменены металлические решетки ограждения балконов  и ярусов. Работы по реставрации интерьеров Казанского вокзала затронули часть залов правого крыла исторической части здания. Были проведены работы над живописными плафонами и панно зала бывшего ресторана (сейчас - зал ожидания повышенной комфортности), зала ожидания восьмигранной формы №5.