Церковь Николая Чудотворца находится к западу от Спасо-Преображенского собора и примыкает к западной стене Кремля. Она была построена около 1558 года и изначально представляла собой белокаменные двухэтажные трапезные палаты с церковью. Здание имело прямоугольную форму, на втором этаже находилась одностолпная трапезная палата, а на первом, аналогичное помещение хлебни. С восточной стороны к трапезной палате примыкала церковь с полукруглой апсидой. В XVII веке второй этаж был перестроен из кирпича, перекрыт коробовым сводом, а с северной стороны к трапезной добавили покои настоятеля.

В 1815 году церковь была перестроена по проекту архитектора А. Шмидта. Теперь это Г-образное двухэтажное здание, состоящее из двух разновременных частей: храма с трапезной и покоев настоятеля. Подклет, сохранившийся с XVI века, выполнен из белого камня и имеет сводчатое одностолпное помещение под трапезной и коробовый свод подцерковья. Храмовая часть с трапезной имеет прямоугольную форму с асимметрично расположенной апсидой, а покои настоятеля примыкают с севера. Западная стена опирается на боевой ход между Юго-Западной и Преображенской башнями Кремля. Храм завершается четвериком, крытым общей кровлей. Купол, который венчал четверик, был утрачен в советское время. Первоначальная декоративная отделка фасадов подклета не сохранилась, но окна второго этажа украшены полукруглыми сандриками с крестами XIX века. С 1993 года в здании проводились реставрационные работы под руководством архитектора Г. Гаязовой и подрядчика ТатСНРУ. После реставрации церковь стала частью комплекса «Музея археологии Республики Татарстан».