Изначально на этом месте в Стрелецкой слободе стояла деревянная Казанская церковь с одним престолом, освященная 31 августа 1651 года. Не ранее 1708 года с восточной стороны к Казанской церкви была пристроена Никольская церковь, и она стала двухпрестольной. В 1768 году были возведены каменные одноэтажная церковь и сторожка. После строительства рядом губернаторского дома Никольская церковь получила название дворцовой. В 1792-1796 годах обветшавшую Казанскую церковь заменили на каменную теплую церковь, освященную 9 мая 1796 года.

Архитектура церкви сочетала элементы русского стиля, такие как закомары, кокошники, шатровые и луковичные главки, а также формы русского барокко. Это придавало ей оригинальный облик, но без излишней пестроты, с соблюдением строгой гармонии, красоты и прочности. Автор проекта остался неизвестным. В 1796-1801 годах была заново построена холодная Никольская церковь, освященная 25 августа 1801 года. Обе части, теплая и холодная, существовали как отдельные храмы без соединительного входа. Теплая часть, расположенная на западе, была посвящена Казанской иконе Божией Матери, а холодная, восточная, святому Николаю Мирликийскому. Это объясняет наличие двух названий церкви. 23 августа 1836 года во время визита в Симбирск Николай I слушал здесь Божественную Литургию. 19 августа 1864 года церковь сильно пострадала от пожара и была восстановлена в 1866 году. Во второй половине XIX века она неоднократно ремонтировалась и обновлялась, но всегда считалась самой красивой в городе. В 1870 году в ней крестили В.И. Ульянова (Ленина). 9 мая 1875 года при церкви было основано братство святого Николая Чудотворца, которое должно было способствовать украшению храма и помогать нуждающимся воспитанникам учебных заведений города. Братство взяло под опеку воспитанников недавно открытой военной гимназии. После строительства в гимназии домовой церкви в 1879 году братство было причислено к этой церкви. На 1882 год церковь занимала площадь в 158 кв. саженей, а ее приход насчитывал 1378 человек к 1916 году. Церковь входила в число охраняемых архитектурных памятников Ульяновска.

В апреле 1930 года церковь еще действовала и относилась к обновленческому течению. В июне 1930 года с нее сняли и изъяли колокола общим весом 237 пудов 20 фунтов. На колокольне было 9 колоколов, главный из которых весил 138 пудов. Церковь была закрыта в 1931 году.