L'histoire de l'église catholique romaine à Tambov commence dans les années 1860. Après la répression de l'insurrection polonaise de 1863, de nombreux catholiques polonais ont été exilés dans diverses provinces de Russie, et un nombre significatif d'entre eux s'est retrouvé dans la région de Tambov. Avec le temps, ils se sont établis à Tambov, et la nécessité d'un temple en tant que centre spirituel et culturel s'est fait sentir. En octobre 1896, les catholiques de Tambov se sont réunis dans la salle de la Bibliothèque publique et ont décidé de construire leur propre église.

Soixante-trois représentants, y compris les Swirchevski, les Kamenski, les Volski, les Koutchevski et d'autres, ont discuté des questions de financement et de l'emplacement de la construction de l'église. Une souscription a été ouverte pour collecter des fonds. Pour la construction, le domaine de M. A. Koutchevski sur la rue Pokrovskaïa a été proposé, à proximité de la maison d'A. N. Tchitcherine. Le domaine était suffisamment grand pour accueillir une maison de prière temporaire, qui pourrait plus tard devenir une maison de charité. Les fonds pour la maison de charité ont été légués par le médecin Voronitch.

Le projet et le devis ont été préparés en 1898. La construction a été supervisée par un conseil de quatre personnes : K. K. Volski, l'ingénieur constructeur Teofil Swirchevski, l'enquêteur judiciaire A. Kostetski et l'ingénieur technologue Kazimir Dembovski. Les travaux ont été réalisés sous la direction de Teofil Swirchevski. Déjà le 25 mai 1903, des services religieux ont commencé dans l'église, bien que le temple ne fût pas encore complètement achevé. La décoration intérieure a duré plusieurs années.

La cathédrale, réalisée dans un style gothique avec de nombreuses arches en ogive et deux hautes tours, était unique pour la Russie centrale. L'historien de l'art G. K. Loukomski a noté son influence de l'art russe. Cependant, ce monument architectural n'a été conservé que sur de rares cartes postales d'avant la révolution. Une paroisse a été créée autour de l'église, et un prêtre catholique a été nommé, subordonné à l'archevêque de Mogilev. Le domaine autour de l'église était orné de verdure et de parterres de fleurs.

L'église a servi les croyants pendant seulement 32 ans. En 1918, les autorités ont commencé à saisir ses biens. L'archevêque de Mogilev écrivait que les biens des églises en Russie étaient constitués de dons de citoyens étrangers, et que l'État n'avait aucun droit sur eux. Au début des années 1920, la bibliothèque de l'église a été fermée, et les livres ont été transférés au club du Parti polonais. Le prêtre Kazimir Verzbicki a été réprimé dans les années 1930.

En février 1935, la musique d'orgue dans l'église s'est tue. Il a été rapporté que la communauté s'était dissoute, et que l'église n'était plus utilisée. Le conseil municipal a proposé de louer le bâtiment à des fins culturelles, mais il n'y avait pas d'intéressés. En juin 1936, il a été proposé de réaménager l'église en atelier de couture. Les valeurs spirituelles de l'église ont été perdues, et après la guerre, l'orgue a été démonté. Pendant longtemps, le bâtiment a été utilisé par une usine.

À la mi-1990, l'église était dans un état lamentable. Cependant, grâce aux efforts du journaliste K.N. Denisov, en 1996, la communauté catholique a été ravivée, et le bâtiment a été restitué aux croyants. Avec l'aide de fonds en provenance de Pologne, la restauration du temple a commencé. En 1998, la Lumière Éternelle a été allumée dans le temple, et en 2000, les croix ont été consacrées et les flèches installées. En 2001, les cloches, offertes par une entreprise polonaise, ont été consacrées et installées. La restauration de l'église, sous la direction du père Józef Matis, a été principalement achevée. En 2007, un monument à saint Nicolas a été installé près du temple.