Час побудови собору довго не могли визначити, і після тривалих досліджень науковці прийшли до висновку, що будівництво храму тривало в 1655–1658 роках за сприяння ніжинських полковників Золотаренків. Автор проєкту, на жаль, досі невідомий.
Миколаївський собор став одним із перших зразків козацького бароко на Лівобережжі. Можливо, навіть найпершим. За його подобою потім будували низку церков у різних містах. Зовнішні стіни храму мають унікальний декор, що втілює особливості чернігівської, київської та російської архітектурної школи середини 17 століття. Ансамбль собору добудовувся ще в наступні 200 років і включав теплу церкву Св. Варвари, шпиталь та школу (вони згоріли під час пожежі наприкінці 18 століття), теплу церкву Іоана Предтечі (нині міський Будинок культури), двоярусну дзвіницю та капличку (зруйновані в 1930-х роках), церковні торгові ряди.
У 1734 році в храмі встановили шестиярусний іконостас, який вважався одним із кращих в Україні.
Миколаївський собор був полковим храмом Ніжинського козацького полку. Поряд проходили збори, свята, зачитувалися гетьманські та царські постанови. Собор пережив багато пожеж і перебудов, у результаті яких не збереглися настінні розписи, зовнішній декор, автентичні форми вікон, порталів і бань. У 20–30-х роках 20 століття храм використовували як склад. На початку 90-х після довгих намагань його нарешті відновили. Зараз Миколаївський собор переданий УПЦ МП та визнаний архітектурною пам’яткою національного значення.
