Церковь была построена в период 1779-1780 годов на месте загородного дома губернатора Кудрявцева.
Первоначально Варваринская церковь была построена как летняя неотапливаемая церковь. По преданию, церковь была сооружена для нужд рядом расположенного Арского кладбища, однако в 1795 году, когда была построена кладбищенская церковь, Варваринский храм был объявлен самостоятельным приходом. До 1819 года в кладбищенском храме священнослужители Варваринской церкви совершали богослужения.
Варваринская церковь неоднократно перестраивалась, её главный храм был создан в традициях классицизма, однако из-за ветхости его разобрали и в 1907 году соорудили новый. Храм был построен по проекту Ф.Н. Малиновского (епархиального архитектора) в традициях русского стиля. Перестройка храма производилась на пожертвования граждан. Вплоть до XIX века Варваринская церковь находилась на окраине города, позже в 1806 году был построен мост, на котором встретились Елизавета Петровна и возвращавшийся из ссылки Бирон. Кроме того, мимо Варваринской церкви в разное время проезжали великие и знатные люди. В апреле 1903 года в церкви крестили Николая Заболоцкого, а на клиросе церкви, будучи подростком, пел Фёдор Шаляпин.
С приходом советской власти в январе 1930 года церковь была закрыта, а храм передан трамвайному парку. Священника Николая Петрова арестовали и сослали в лагеря. До 1994 года в храме размещались протезная мастерская, кинотеатр и кафедра Казанского технологического института, в результате требований православных верующих храм был возвращен прихожанам. В церковь перенесли святыни (икону великомученицы Варвары и икону Жён Мироносиц), которые сохранились в церкви Ярославских чудотворцев. В 2000-х здесь провели реставрационные работы, восстановили купола и кресты, а внутри выложили мраморный пол. В настоящее время восстанавливается Варваринский храмовый иконостас, реставрационные работы проходят за счет влиятельных благотворителей.