В этом храме в 1891 году служил утренний молебен царевич Николай II, а сама Никольская церковь была построена в 1875 году на средства верхнеуральского купца первой гильдии Николая Рытова. Она представляет собой уменьшенную копию храма Христа Спасителя в Москве, поэтому ее называют «младшей сестрой» московского храма.
Церковь была возведена по проекту молодого архитектора Константина Тона, бросившего вызов классицизму и утвердившему в отечественной культуре академический русский стиль, вместивший мотивы русского культового зодчества. Константину Тону принесли известность такие архитектурные шедевры Москвы, как храм Христа Спасителя, Малый театр, Кремлевский дворец, Оружейная палата.
Улица, на которой стоит храм, раньше называлась Николаевская. Это единственный храм в Верхнеуральске, который уцелел в годы советской власти. Всего в городе было шесть церквей и один монастырь.
В тридцатые годы церковь была закрыта и использовалась под зерновой склад. Вторично ее открыли во время Великой Отечественной войны в 1942 году. В 2013 году Указом Святейшего Патриарха Кирилла церкви присвоен статус соборного храма.