Никольская церковь, находящаяся в сильно повреждённом состоянии, представляет собой редкий пример использования допетровской архитектуры в местном культовом строительстве. Подобная особенность также характерна для старообрядческого Крестовоздвиженского храма, построенного в 1909 году. В других сооружениях Сызрани XVIII-XX веков древнерусская стилистика не получила значительного распространения.

Уникальность Никольской церкви заключается в том, что для её стилизации были выбраны раннесредневековые храмы, выполненные в лицевой кладке и восходящие к византийским традициям. Храм отличается монолитностью, высокими пропорциями главного объёма, плоскостными фасадами, крупной гранёной апсидой и высокими арочными окнами, верхние контуры которых подчёркнуты плоскими полуциркульными архивольтами.

Церковь расположена в центре города, недалеко от бывшей крепости, и построена из лицевого кирпича рядом с Казанским собором. Как и собор, она находится в восточном углу квартала, на пересечении улицы и переулка.

Изначально на этом месте стояла деревянная Никольская церковь, освящённая 4 декабря 1859 года. Её появление связано с политикой российского государства, стремившегося примирить старообрядцев с православием. Хотя Симбирская губерния не была крупным центром старообрядчества, в Сызрани проживало значительное количество его приверженцев. В 1859 году из 723 старообрядцев губернии 477 жили в Сызрани.

После разрушительного пожара в 1906 году от единоверческой церкви не осталось ничего. На её месте в 1913 году был построен каменный храм, сохранившийся до наших дней.

Никольская церковь, выполненная из лицевого кирпича, окружена высокой кирпичной стеной, идущей вдоль улицы и переулка. Ограда украшена лопатками и фризом из трёх рядов поребрика. Главный объём храма, двусветный четверик с крупным дверным проёмом и меньшими оконными. На втором ярусе расположены пять арочных окон. С одной стороны к основному объёму примыкает прямоугольная апсида с гранёным выступом, с другой, трапезная с трёхмастными окнами. Декор храма включает ленточный руст, покрывающий стены, аттик с рядом полукруглых кокошников и обрамления арочных окон, выполненные из кирпича, напоминающие архивольты, опирающиеся на полуколонки в нишах. Декоративная кирпичная кладка служила для обогащения фасадов церкви.