Храм был возведен в конце 18 века. По преданию она была перестроена в 1779-80 гг. из загородного дома казанского вице-губернатора Кудрявцева. 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 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.
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 революции 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.
16 января 1930 года Варваринская церковь была закрыта. 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 1994 году храм вернули Церкви. Были восстановлены купола и кресты, обустроен интерьер храма.17 декабря 1994 года, в престольный праздник (день святой великомученицы Варвары), в храме был совершён первый в его современной истории молебен.