Казанская икона Божией Матери была пожалована царем Алексеем Михайловичем (1645–1676) в благословение городу Пензе при его основании в 1666 году. От Москвы до самой Пензы образ несли на руках и поместили в городскую соборную церковь. Притекавшие с верой к этой иконе всегда получали помощь в различных нуждах.

Чудотворной иконе Пресвятой Богородицы Пенза обязана своим спасением от врагов. Накануне 4 августа 1717 года во время нашествия кочевавших в астраханских и саратовских степях ногайских татар (так называемый «кубанский погром»), когда не оставалось надежд на спасение города, все жители собрались в собор на бдение, которое не прерывалось всю ночь. Утром икону с крестами и хоругвями вынесли на крепостной вал и начали петь акафист. Когда ногайцы пошли на приступ, лик Божией Матери потемнел и святая икона отвернулась от врагов. Во время чтения молитвы в татарском стане произошло смятение, и они бежали.

О других чудесах упоминает протоиерей Иаков Бурлуцкий: об исцелении от слепоты солдатской дочери из Пешей слободы, во время молебна перед Казанской иконой; о помещице села Блохино Настасье Танеевой, которая, после того как в ее дом была принесена икона и перед ней совершен молебен, встала со смертного одра; о том, как один пензенский мещанин, незадолго до Пугачевского бунта, выздоровел на Успение, после мысленной молитвы перед образом.

Многочисленные случаи исцеления по предстательству Божией Матери фиксировались и в XIX в. Елизавета Вигель, дочь одного из первых пензенских губернаторов Филиппа Лаврентьевича Вигеля, рассказала Бурлуцкому о чудесном выздоровлении ее отца: «Больной лежал недвижим; три доктора попеременно брали пульс его и единогласно объявили, что жизнь продолжится недолго. Между тем жена больного, благочестивая Мавра Петровна Вигель, испросила благословение преосвященного Гаия с торжественным ходом при колокольном звоне принести из собора чудотворный образ Всемирной Заступницы.

Образ был принесен. Доктор стоял у возглавия больного и постоянно смотрел пульс его; больной икал, как обыкновенно бывает пред смертию. Началось молебствие с водоосвящением. По освящении воды ветошка была намочена оною и приложена к голове больного. Он заснул. Когда образ Царицы Небесной обратно отнесен был в собор, и жена подошла к больному, доктор взял пульс его и с изумлением нашел в нем быструю, неожиданную перемену к лучшему; он тогда же поздравил Мавру Петровну с чудом, — и действительно, проснувшись, больной попросил чая, благодарил Царицу Небесную за облегчение болезни и скоро выздоровел».

В конце ХIХ века этой иконе было установлено празднование 4 августа. На всенощном бдении положено величание: «Величаем Тя, Пресвятая Дево, и чтем образ Твой святый, имже избавихомся от поганых нашествия».

Вплоть до 1923 г. Казанская икона хранилась в Спасском кафедральном соборе. Перед ней молились все императоры, посещавшие Пензу, все пензенские архипастыри, несколько поколений горожан.

В годы Гражданской войны с иконы исчезла драгоценная риза. После того, как собор был закрыт, Казанскую икону, по всей видимости, перенесли в Рождественский храм, а в 1925 г. — в Петропавловский храм на улице Московской. В 1931 г. Петропавловская церковь также была закрыта, и до 1937 г., предположительно, святыня хранилась в Успенском соборе на Мироносицком кладбище. А затем, после закрытия и этого храма, оказалась в Митрофановской церкви, оставшейся единственной действующей в городе.

В 1989–1990 гг. образ был восстановлен московскими реставраторами. Через несколько лет для него была создана новая риза.

12 июня 2022 года Казанская-Пензенская икона Божией Матери была перенесена из Митрофановского храма в Спасский кафедральный собор на постоянное место пребывания.