Точная дата постройки Варваринской церкви не известна (антиминс датирован 1781 годом). Храм был возведен в конце 18 века, в то время, когда вся Казань отстраивалась после пугачевского разорения. По преданию она была перестроена в 1779-80 гг. из загородного дома казанского вице-губернатора Кудрявцева.

Во время пугачевского бунта вице-губернатор, 104-летний старик, укрылся от пугачевцев в Богородицком монастыре. Пугачевцы казнили губернатора прямо на паперти собора. Возможно изначально церковь относилась к Арскому кладбищу, а после того, как там был построен свой храм во имя Ярославских чудотворцев, Варваринская церковь стала приходской.

В 19 веке Варваринская церковь находилась на окраине города на печально известном Сибирском тракте, как раз напротив построенного в 1806 году по проекту архитектора Шелковникова каменного с колоннами моста Сибирской (называемой также Арской, по направлению к ближайшему крупному городу) заставы. Сейчас на этом месте соединяются улицы Горького и Маркса, на месте оврага — жилой дом. По этому мосту проезжали мимо храма и бывали в нем А.Н. Радищев (1790), А.И. Герцен (1835), Н.Г. Чернышевский (1864), В.Г. Короленко (1884). На мосту встретились Бирон, возвращавшийся из ссылки по распоряжению Елизаветы Петровны, и Бурхард Миних, содействовавший ссылке Бирона в Сибирь, а теперь сосланный туда же. 12 июня 1774 года, после небольшого боя у Арской заставы в город ворвался Емельян Пугачев. Архитектор первоначальной церкви неизвестен, по сохранившемся фотографиям — это был храм в стиле классицизма, с теплым приделом во имя св. Жен-Мироносиц.

В 1901-07 гг. по проекту казанского епархиального архитектора Федора Николаевича Малиновского на средства собранные прихожанами был построен новый храм в русском стиле, включавший отдельные фрагменты старого храма 18 века, в частности нижние ярусы колокольни. Внешний облик храма сходен с церковью Евфимия Великого и Тихона Задонского Седмиезерной пустыни, также построенных архитектором Малиновским. Сочетание разновеликих арок, сводов, оконных проемов создает неповторимый уютный храмовый интерьер с замечательной акустикой, что свойственно всем творениям Малиновского (собор в честь иконы Божией Матери «Всех скорбящих Радосте» Иоанно-Предтеченского монастыря в Свияжске 1898—1906, Храм Сошествия Святого Духа на Апостолов (с.Ачи) 1886—1896 гг., Храм святителя Гурия Казанского (с.Ташкирмень) 1895, Храм в честь свв. первоверх. апп. Петра и Павла (с.Бахта) 1912—1917 гг., Собор в честь Живоначальной Троицы в Раифском монастыре 1910 г, соборный храм Троицкого женского монастыря в Лаишево и др.).

Варваринский храм помнит многих знаменитых людей: в 1880-х гг. в церковном хоре пел Федор Иванович Шаляпин. 2 февраля 1864 г. здесь венчались Николай Евгеньевич Боратынский, сын великого поэта, и дочь известного востоковеда Александра Касимовича Казембека Ольга Александровна Казем-Бек. 25 апреля 1903 г. уже в период перестройки старой церкви, в Варваринской церкви был крещен будущий поэт Николай Заболоцкий.

После переворота 1917 года в Варваринской церкви часто служил временно управляющий казанской епархией епископ Анатолий Грисюк, который жил во флигеле Духовной академии неподалеку.

Последним настоятелем Варваринской церкви вплоть до закрытия храма в 1930 году был профессор Казанской духовной академии и Казанского университета (1914—1918), ректор недолго существовавшего Богословского института (1921—1923) протоиерей Николай Васильевич Петров.

В 1929 году в газете «Красная Татария» появилась статья «Очаг мракобесия в районе трех вузов», с призывом к скорейшему закрытию храма, расположенному рядом с Пединститутом и Сельхозакадемией. После студенческих собраний в трех институтах с требованием закрыть храм, 16 января 1930 года решением Президиума ЦИК ТССР по представлению НКВД Варваринская церковь была закрыта, протоиерей Николай арестован и сослан за «антисоветскую деятельность». Старинную храмовую икону св. Варвары, и образ Жен Мироносиц из одноименного придела верующим удалось сохранить.

В советское время в храме размещались клуб рабочих трамвайного парка, кинематограф, протезная мастерская.

В 1963 году сюда переехала кафедра компрессоров и пневмоагрегатов Казанского химико-технологического института, главный корпус которого расположен неподалеку.

В 1994 году храм вернули Церкви. Тяжёлое оборудование лаборатории было вмонтировано так, что после его выноса пришлось полностью перестраивать полы и часть фундамента и проводить другие восстановительные работы.

17 декабря 1994 года, в престольный праздник (день святой великомученицы Варвары), в храме было совершенно накануне Всенощное бдение и самый день праздника, впервые после закрытия храма 1930 году, совершена Божественная Литургия, которую возглавил Его Высокопреосвященство Высокопреосвященнейший Владыко Анастасий архиепископ Казанский и Татарстанский.