Во времена закладки нового города возле впадения реки Песьей Деньги в Сухону в возведённом для защиты его жителей остроге, там, где сегодня стоит лишенный глав Богоявленский собор, была построена деревянная церковь в честь Рождества Пречистой Богородицы.
В писцовых книгах 1623–1625 гг. здесь уже значатся две деревянные церкви: соборная церковь Рождества Пречистой Богородицы и церковь Богоявления. В писцовой книге 1676–1679 гг. «письма и меры писцов Богдана Григорьевича Засетцкого да подьячего Емельяна Телицына» эти храмы описаны так: «да в остроге ж соборная церковь Рождества Пречистыя Богородицы... да в приделе церковь Михаила Малеина, – обе холодные, – древяная, рубленая углом, [от] паперти по алтарь забрана тесом, верхи у тое церкви кличатые, о пяти главах, крыты тесом, а на приделе шестая глава...»; «Другая церковь теплая, с трапезою, во имя Богоявления Господа нашего Иисуса Христа... Колокольня рублена в замок на четыре угла, верх на стропилах з главой. На колокольне пять колоколов да часы железные. У колокольни приделана часовня: с одну сторону решетка железная, а з другую сторону двери с решоткою железной. В часовне образ Всемилостивого Спаса на убрусе... образ преп. отца Феодосия Тотемского чудотворца, на вохре. На часовне бочка, а в бочке образ Рождества Богородицы за слудою».
В 1743 г. деревянные соборные храмы сгорели, и в 1744–1749 гг. на их месте была построена каменная двухэтажная церковь. В 1764 г. на средства местного купца и соборного старосты Алексея Потемкина была построена колокольня с храмом во имя Димитрия Ростовского. В 1774 г. на средства того же Потемкина в трапезной Дмитриевского храма был устроен придел во имя преподобного Михаила Малеина.
Во время городского пожара 1815 г. колокольня и верхний этаж собора сильно пострадали от огня. Благодаря стараниям соборного протоиерея М.В.Савинова начались восстановительные работы. Колокольня была отремонтирована уже в следующем 1816 г., но храмы под ней были временно упразднены. С 1816 г. на соборной, как ещё её называли, колокольне висел огромный в 700 пудов колокол, отлитый мещанином Петром Денисовым из трёх старых колоколов. Богоявленский собор в ходе восстановления, длившегося с 1816 по 1822 г., был перестроен «в особенном западном вкусе».
В 1835 г. на средства местного купца Ливерия (в монашестве Леонтия) Колычева под колокольней вместо упраздненных приделов была устроена церковь в честь Казанской иконы Божией Матери.
В 1840 г. местным кузнецом Сидором Мишуринским на колокольне были восстановлены старинные башенные часы, судя по писцовым книгам 1676–1679 гг., бывшие ещё на деревянной колокольне.
В советское время Казанская церковь была разобрана, а здание собора в 1929 г. приспособили под кинотеатр «Октябрь». С 1999 г. по 2008 г. здесь же работал молодёжный центр «Тотьма», а с 2008 г. – Городской центр культуры.
