К концу XIX века в России, включая Сибирь, было построено множество храмов и монастырей в честь Святителя Николая. В начале XX века строительство таких храмов продолжалось, и Барнаул не стал исключением. В это время в городе возводились Покровская церковь в Зайчанской слободе, Троицкая церковь в нагорной части, храм Воздвижения Креста Господня, который сейчас является планетарием, а также церкви в честь иконы Казанской Богородицы и Святителя Иннокентия Иркутского на территории женского монастыря. Были построены деревянные храмы в Острожном переулке и в тюремном замке. Улицы города украсили несколько часовен, созданных по проектам архитектора Ивана Носовича, включая деревянную часовню на ключе Святителя Николая.

На центральной улице Барнаула, Московском проспекте, появилась солдатская Никольская церковь. В начале XX века существовало правило, что в местах дислокации русских войск численностью не менее батальона следовало строить солдатские храмы. В Барнауле находился стрелковый полк, и для строительства храма военное ведомство выделило 36 000 рублей, а проект кирпичной церкви на 630 человек был одобрен Императором Николаем II.

18 апреля 1903 года городская дума выделила участок для строительства церкви на углу Московского проспекта и Второй Алтайской улицы. Весной 1904 года состоялось освящение места и закладка первого камня. Строительство шло быстро благодаря финансированию и участию солдат и местных жителей. В декабре того же года стены и крыша были завершены, а в феврале 1906 года церковь была освящена. Здесь принимали присягу новобранцы, а местные жители посещали церковь для молитв.

Никольская церковь была видна со всех сторон, и на её территории проводились народные праздники, такие как празднование 100-летия Бородинской битвы и 300-летие дома Романовых. В 1930-е годы церковь постигла участь многих других: колокольня и купол были разрушены, а здание использовалось как воинский клуб. В 1992 году церковь вернули Русской православной церкви, и в ней возобновились богослужения.

К сожалению, все росписи и иконы были уничтожены, но храм сохранил некоторые старинные иконы, включая образ Пресвятой Богородицы, спасённый от уничтожения. В храме также находится колокол, изготовленный в 1903 году. Никольский храм постепенно восстанавливается: завершена внутренняя роспись, установлен новый иконостас, построена колокольня. Планируется возведение купола для улучшения акустики.

4 июня 2006 года храм отметил свой вековой юбилей. Накануне праздника рабочие установили купольные барабаны на башню. 21 мая 2007 года епископ Максим освятил новые кресты для храма.