Телеграммы, адресованные М.И. Калинину и Н.И. Троцкой, от председателя Российской академии истории материальной культуры Александра Александровича Васильева и ректора Академии Художеств Андрея Евгеньевича Белогруда от 16 мая с просьбой «остановить начатое разрушение иконостаса Казанского собора, памятника мирового значения» остались без внимания: «”отрывание и сдирание” серебра производилось штыками и шашками». И.П. Бакаев рапортовал М.И. Калинину 17 мая о том, что «серебряная обработка иконостаса Казанского собора снята. Обработка главных врат, упокованная (в) отдельную тару, находится (в) губфинотделе». С 16 июля 1922 г., после судебного процесса над петроградским духовенством, собор перешёл к обновленцам, в марте-ноябре 1923 г. и с 20 января 1925 г. был обновленческой кафедрой. Его настоятелями были обновленческие архиереи Вениамин (Муратовский; с 1925 г.) и Серафим (Руженцев; с 1927 г.). В соборе проводились заседания обновленческого Епархиального совета. 26 декабря 1931 г. Президиум Ленинградского облисполкома принял постановление о закрытии собора и передаче здания Академии Наук СССР «для использования под музей по истории религии». 9 января 1932 г. Президиум ВЦИК отклонил обращение верующих о пересмотре данного постановления. «Согласно просьбе религиозного общества» разрешалось, чтобы «так называемая “икона Казанской Божией Матери” была передана в другое молитвенное здание». В ноябht 1932 г. Казанский собор был закрыт, исчезла большая часть его внутреннего убранства. Здание передали Академии Наук для устройства Музея истории религии и атеизма, основой которого стала антирелигиозная выставка, устроенная в 1930 г. в Зимнем дворце. Первым директором музея был организатор выставки этнограф Владимир Германович Богораз-Тан, с 1946 г. – Владимир Дмитриевич Бонч-Бруевич (его архив по сектантству поступил в музей в 1956 г.). В годы, когда собор использовался как музей, с купола был снят крест и заменён шпилем на шаре, демонтированы памятные надписи и алтарная икона (1933–1934 гг.), уничтожены колокола. Собор использовался и для «наглядной агитации». Так, в 1934 г. перед его колоннадой был размещён колоссальный макет, изображавший ледовый лагерь Отто Юльевича Шмидта; в центре фасада во всю высоту – портрет Иосифа Виссарионовича Джугашвили (Сталина). 4 сентября 1933 г. было произведено вскрытие могилы М.И. Кутузова. В 1938 г. предлагалось устроить в соборе музей войны 1812 г. В 1941 г. в здании вместо антирелигиозной экспозиции была развёрнута выставка «Героическое прошлое русского народа», в 1942 г. – выставка «Отечественная война 1812 г.», был открыт доступ к могиле М.И. Кутузова. После закрытия 14 декабря 1946 г. Антирелигиозного музея в Москве его экспонаты передали в Музей истории религии в Ленинграде, который возобновил работу после ремонта интерьеров собора в 1952–1956 гг. С 1957 г. издавались «Ежегодники» музея. Новая экспозиция была открыта в 1981 г. Ремонты фасадов и кровли были осуществлены в 1950–1952 гг. и в 1963–1968 гг. (автор проекта Александр Эрнестович Гессен). 3 июня 1989 г. усердием митрополита Ленинградского и Новгородского Алексия (Ридигера; впоследствии Патриарх Московский и всея Руси) из фондов музея в Казанском соборе были возвращены мощи св. Александра Невского; на Рождество 1990 г. им же были отслужены молебен и панихида на могиле М.И. Кутузова. Вскоре произошло возвращение мощей преподобных Зосимы, Савватия и Германа Соловецких. 4 ноября 1990 г. в Казанском соборе впервые после многолетнего перерыва была отслужена Божественная литургия.