Казанская площадь, 1984 г.
Некоторое время после октябрьской революции администрация храма ещё продолжала развивать свою религиозную деятельность. В самом начале 1918 года настоятель Казанского собора протоиерей Философ Орнатский планировал устроить здесь пещерный храм имени святого Гермогена, который должен был бы повторить темницу Чудова монастыря в Москве, где погиб святитель Гермоген.
Но весьма скоро политика советской власти по отношению к церкви привела к тому, что о её развитии не могло быть и речи. Наоборот, количество прихожан сокращалось. Как отмечалось в 1924 году, в праздник Казанской иконы в соборе было всего лишь 60 человек, преимущественно старух. Из-за резкого уменьшения численности прихода сокращались и пожертвования. У причта не хватало денег на содержание здания.
Весной 1924 года советское правительство озаботилось состоянием архитектурных памятников, к которым продолжал причисляться и Казанский собор. Тогда выявилось плохое состояние кровли здания, которое 23 сентября дополнилось водой в подвалах из-за разрушительного наводнения. Последующие реставрацию стен и интерьеров собора проводили архитекторы А. П. Аплаксин, А. А. Парланд, художники Н. А. Бруни, Э. К. Липгард.
В апреле 1932 года Казанский собор был закрыт для верующих. По ходатайству Академии наук СССР в Казанском соборе начались работы по устройству к XV годовщине Октября первого музея по истории религии и атеизма [7, с. 84]. Казанскую икону Божией Матери перенесли в Князь-Владимирский собор, другие ценные иконы, живописные полотна и церковную утварь - в Русский музей. В храме остались только "Тайная вечеря" С. А. Бессонова на своде алтаря, а также работы художников А. И. Иванова, Г. И. Угрюмова, С. С. Щукина и Ф. И. Ясненко, а также картина Ф. Алексеева над могилой Кутузова. Крест купола заменили на шар с пикой. Открытие музея не состоялось вовремя, произошло 15 ноября. К осени 1933 года здание получило художественную подсветку.
Казанский собор, 2008 г.
Осенью 1941 года у колоннады храма была устроена выставка "Военное прошлое русского народа". Музей атеизма временно закрылся, его место заняла выставка "Отечественная война 1812 года", проработавшая всю войну. В подвале здания разместился один из отделов штаба Ленинградского фронта. Во время блокады в Казанский собор попало три снаряда, купол и крыша насчитывали более 1600 пробоин. В 1951 году начался его капитальный ремонт под руководством Я. А. Казакова. Работы в интерьерах проводились в 1952-1956 годах, фасады ремонтировались в 1964-1968 годах.
6 января 1990 года впервые в практике отечественного телевидения из Казанского собора была проведена прямая трансляция Рождественского всенощного бдения. Подобные Рождественские и Пасхальные телетрансляции теперь проводятся ежегодно.
С 1991 года Казанский собор снова открыт для богослужений, ему возвращена Казанская икона Божией Матери. В 1994 году на куполе собора вновь появился золотой крест. 6 апреля 1998 года Казанскому собору " вернули голос ", на его звоннице установили отлитый на Балтийском заводе колокол. В 2000 году Казанский собор стал главным кафедральным храмом Петербурга, сюда вернули Казанскую икону. Музеи истории религии переехал в здание на Почтамтской улице. К 2003 году (300-летию Санкт-Петербурга) мастера Балтийского завода отлили четырёхтонный колокол высотой более двух метров, ставший самым крупным колоколом Казанского собора.