La historia de la iglesia católica romana en Tambov se remonta a la década de 1860. Tras la supresión de la revuelta polaca de 1863, muchos católicos polacos fueron deportados a diversas provincias de Rusia, y un número significativo se estableció en la región de Tambov. Con el tiempo, se asentaron en Tambov, y surgió la necesidad de un templo como centro espiritual y cultural. En octubre de 1896, los católicos de Tambov se reunieron en la sala de la Biblioteca Pública y decidieron construir su propio templo.

Sesenta y tres representantes, incluidos los Swirczewski, Kamenski, Wolski, Kucevski y otros, discutieron cuestiones de financiación y el lugar de construcción de la iglesia. Se abrió una suscripción para recaudar fondos. Se propuso la finca de M. A. Kucevski en la calle Pokrovskaya, cerca de la casa de A. N. Chicherin. La finca era lo suficientemente grande como para albergar una casa de oración temporal, que más tarde podría convertirse en un asilo. Los fondos para el asilo fueron legados por el médico Voronich.

El proyecto y el presupuesto fueron preparados en 1898. La construcción estuvo a cargo de un consejo de cuatro personas: K. K. Wolski, el ingeniero constructor Teofil Swirczewski, el investigador judicial A. Kostetski y el ingeniero tecnológico Kazimir Dembovski. Los trabajos se llevaron a cabo bajo la dirección de Teofil Swirczewski. Ya el 25 de mayo de 1903, comenzaron los servicios en la iglesia, aunque el templo aún no estaba completamente terminado. El acabado interior continuó durante varios años.

La catedral, realizada en estilo gótico con numerosos arcos apuntados y dos altas torres, era única para el centro de Rusia. El historiador del arte G. K. Lukomski señaló su influencia en el arte ruso. Sin embargo, este monumento arquitectónico solo se conserva en raras postales de antes de la revolución. Se creó una parroquia en la iglesia, y se nombró un sacerdote católico, subordinado al metropolitano de Mogilev. La finca alrededor de la iglesia estaba adornada con vegetación y flores.

La iglesia sirvió a los fieles solo durante 32 años. En 1918, las autoridades comenzaron a confiscar sus bienes. El metropolitano de Mogilev escribió que los bienes de las iglesias en Rusia fueron creados a partir de donaciones de ciudadanos extranjeros, y el estado no tiene derechos sobre ellos. A principios de la década de 1920, se cerró la biblioteca de la iglesia, y los libros fueron transferidos al club del partido polaco. El sacerdote Kazimir Verzbicki fue represaliado en la década de 1930.

En febrero de 1935, la música de órgano en la iglesia se detuvo. Se informó que la comunidad se había disuelto y la iglesia no se utilizaba. El consejo municipal propuso alquilar el local para fines culturales, pero no hubo interesados. En junio de 1936, se propuso convertir la iglesia en un taller de costura. Los valores espirituales de la iglesia se perdieron, y después de la guerra, el órgano fue desmontado. Durante mucho tiempo, el edificio fue utilizado por una fábrica.

Para mediados de la década de 1990, la iglesia estaba en un estado lamentable. Sin embargo, gracias a los esfuerzos del periodista K.N. Denisov, en 1996 se reactivó la comunidad católica, y el edificio fue devuelto a los fieles. Con la ayuda de fondos de Polonia, comenzó la restauración del templo. En 1998, se encendió la Luz Eterna en el templo, y en 2000 se bendijeron las cruces y se instalaron los pináculos. En 2001, se bendijeron e instalaron las campanas, donadas por una empresa polaca. La restauración de la iglesia bajo la dirección del padre Józef Matis fue prácticamente completada. En 2007, se instaló un monumento al santo Nicolás junto al templo.