В начале XVII века на месте нынешнего храма находилась деревянная церковь, посвящённая преподобным Зосиме и Савватию Соловецким. В 1712 году её заменили каменной постройкой, которая сохранилась до наших дней. Строительство Никольской церкви связывают с царицей Евдокией Лопухиной, сосланной в 1698 году своим мужем, царём Петром I, в Суздальский Покровский монастырь. На свои средства Евдокия возвела напротив Святых ворот монастыря зимний храм Николая Чудотворца и пристроила к нему придел в честь преподобного Алексия, небесного покровителя её сына, царевича Алексея, который тогда был наследником престола. Никольская церковь, построенная в 1712 году, вместе с летней церковью Петра и Павла, возведённой в 1694 году, образовала архитектурный ансамбль. Этот ансамбль стал образцом для многих «парных» храмов, построенных в Суздале с XVII по XIX века.

Никольская церковь, как и все зимние храмы Суздаля, отличается простотой архитектуры и скромным декором. По композиции она напоминает крупные одноглавые суздальские храмы. Здание церкви имеет форму куба, перекрытого четырёхскатной кровлей, на которой возвышается высокий тонкий барабан с луковичной главкой. Фасад украшен закомарами. С восточной стороны к церкви примыкает полукруглая апсида, а с западной, небольшая паперть. Никольская церковь неоднократно подвергалась перестройкам, но в 1954 году её первоначальный облик был восстановлен.