Время постройки собора долго не могли определить, и после долгих исследований ученые пришли к выводу, что строительство храма продолжалось в 1655–1658 годах при содействии нежинских полковников Золотаренко. Автор проекта, к сожалению, до сих пор неизвестен.
Николаевский собор стал одним из первых образцов казацкого барокко на Левобережье. Может быть, даже самым первым. По его подобию потом строили ряд церквей в разных городах. Наружные стены храма имеют уникальный декор, олицетворяющий особенности черниговской, киевской и русской архитектурной школы середины 17 века. Ансамбль собора достроился еще в последующие 200 лет и включал теплую церковь Св. Варвары, госпиталь и школу (они сгорели во время пожара в конце 18 века), теплую церковь Иоанна Предтечи (ныне городской Дом культуры), двухъярусную колокольню и часовню (разрушены в 1930-х годах), церковные торговые ряды.
В 1734 году в храме установили шестиярусный иконостас, считавшийся одним из лучших в Украине.
Николаевский собор был полковым храмом Нежинского казачьего полка. Рядом проходили собрания, праздники, зачитывались гетманские и царские постановления. Собор пережил многие пожары и перестройки, в результате которых не сохранились настенные росписи, внешний декор, аутентичные формы окон, порталов и бань. В 20–30-е годы 20 века храм использовали как склад. В начале 90-х после долгих попыток его наконец-то восстановили. Сейчас Николаевский собор передан УПЦ МП и признан архитектурным памятником национального значения.
