Архитектурный ансамбль Шартомского монастыря сложился в основном во второй половине XVII и первой половине XIX веков. Центральным элементом этого ансамбля является Никольский собор, который считается самым старым зданием монастыря. В челобитной, адресованной Алексею Михайловичу, архимандрит Иоасиф описывает, как после пожара 1649 года монастырский староста, собиравший деньги для монастыря, был убит и ограблен Иваном Ахметевым. Это свидетельствует о том, что средства на строительство монастыря в середине XVII века в основном поступали от крестьян монастырских земель. Поскольку ответа от царя не последовало, деньги были собраны повторно, и уже в 1651 году новый каменный собор был освящён архиепископом Суздальским и Торусским Серапионом. Однако нельзя с уверенностью утверждать, что строительство собора было завершено именно в этом году, так как дата взята с креста, который мог быть освящён раньше или во время возведения храма. Таким образом, хотя 1651 год считается датой основания, возможно, монастырь был достроен только ко второй половине 1650-х годов.

Никольский собор пережил вместе с монастырём упадок конца XVIII века, когда были утрачены все владения, расцвет второй половины XIX века и разруху XX века.

Собор представляет собой четырёхстолпный храм с четырьмя зелёными луковичными главами и одним золотым куполом. Крыша, вероятно, с момента постройки была четырёхскатной, но в целом архитектура собора остаётся консервативной. Фундамент выполнен из валунов, гранита и частично из белого камня. Стены снаружи покрыты побелкой по кирпичу. Внешнее деление стен лопатками на прясла продолжается и внутри собора. Центральный купол смещён восточнее обычного, из-за чего столбы также сдвинуты к востоку. Западное прясло самое широкое, среднее уже, а восточное самое узкое, что построено на принципе золотого сечения. Трёхапсидный алтарь вдвое ниже четверика храма, что придаёт ему суровый вид. Окна собора длинные и узкие, расположены в два яруса. Окна нижнего яруса имеют наличники с килевидным завершением, а окна второго яруса без обрамлений. Среднее окно, окно алтаря, единственное растёсанное, и южная апсида выступает чуть более северной.

Внутри собора стены оштукатурены, сохранились остатки темперной живописи начала XIX века. К моменту передачи монастыря Церкви внутреннее убранство собора было почти полностью уничтожено. На внутренних стенах, сводах и гранях пилонов местами сохранилась штукатурка с остатками фресок. Три перспективных портала состоят из чередующихся четвертей и полуовалов. Северный портал украшен резными из белого камня элементами, напоминающими порталы Владимиро-Суздальского зодчества XII-XIII веков. Цоколь декорирован поребриком. В храме находятся старинные иконы. У левого клироса размещены Тихвинская и Шуйская-Смоленская иконы Божией Матери, а у правого нерукотворный образ Спасителя выразительного письма. По их размеру можно предположить, что эти иконы когда-то находились на иконостасе в другом местном храме.