В XVII веке в Касимове существовал мужской Николаевский монастырь. В писцовых книгах Петра Воейкова за 1627 год уже упоминается деревянная церковь Николая Чудотворца в этом монастыре. В 1705 году, по благословению митрополита Стефана Яворского, посадский человек Яков Петров Яцков построил каменную церковь с приделом Иоанна Воина. К церкви пристроили каменную колокольню с четырьмя колоколами весом от 1 до 5 пудов. В 1778 году монастырь был упразднен, и к оставшемуся храму была приписана инвалидная команда из 60 дворов.

Жители не хотели забывать о монастыре, и с разрешения епархиального начальства 9 мая стали проводить крестный ход из соборного храма в Николаевский. До 1832 года в храме существовал придел в честь святителя Димитрия Ростовского, который был упразднен, но в 1851 году его восстановили и посвятили также святителю Митрофану Воронежскому. В 1867 году была расширена трапезная и построена новая колокольня. Никольский храм в Касимове всегда считался самым древним. В историческом документе отмечалось, что церковь была «темна, так как имеет мало света, но отличается благолепием».

Особое почитание у прихожан вызывала икона Николая Чудотворца, где Святитель изображен в архиерейском облачении с мечом в правой руке и с храмом в левой.

С восточной стороны от храма находилась каменная часовня, где был захоронен Петр Семенов, который провел 8 лет послушником в Саровской пустыни у о. Серафима Саровского. Он умер в возрасте 124 лет, и его похоронили с почестями.

В 1922 году из церкви изъяли ценности для помощи голодающему Поволжью, о чем был составлен акт. Церковь закрыли в 1941 году, но через два года она была вновь открыта и больше не закрывалась. С 1944 по 2002 год храм фактически служил кафедральным.

В настоящее время правый придел посвящен святителям Димитрию Ростовскому и Митрофану Воронежскому, а левый, мученику Иоанну Воину.