Гонения на церковь, начавшиеся после революции 1917 года, коснулись и Казанского собора. Интерьер собора сильно пострадал при изъятии в 1922 году церковных ценностей. Храм перешёл в руки обновленцев и после закрытия в 1928 году Исаакиевского кафедрального собора получил статус кафедрального собора обновленческой Ленинградской епархии. 25 января 1932 года собор был закрыт, а 15 ноября 1932 года в здании открыли Музей истории религии и атеизма. В 1950—1956 годах была проведена реставрация интерьера, а в 1963—1968 годах — фасадов.

Богослужения возобновились 25 мая 1991 года в левом приделе.