Церковь с яркой росписью, расположенная на возвышенности, заметно выделяется среди окружающих её зданий. Даже поздняя застройка не смогла скрыть её и уменьшить её роль в формировании облика района.

В 1620-х годах на юго-запад от Москвы, которая тогда ограничивалась современным Садовым кольцом, была переселена Хамовная слобода, поселение ткачей, производивших высококачественное белое полотно, известное как «хам». Рядом находилась слобода кремлёвского Чудова монастыря, Чудовка. Здесь же стояла деревянная церковь во имя святого Николая Чудотворца, впервые упомянутая в 1625 году, хотя исследователи считают, что она была основана раньше. В 1657 году её уже называли каменной. В 1679 году по указу царя Фёдора Алексеевича началось строительство новой каменной церкви, завершившееся в 1682 году. В 1694 году были достроены трапезная с приделами и колокольня, что придало храму святого Николая Чудотворца в Хамовниках его современный вид.

Церковь построена по традиционной схеме: вытянутая по горизонтали, она начинается с западной колокольни, продолжается длинной трапезной, основным храмом с пятиглавием и заканчивается тремя алтарными выступами. В её фасадах присутствуют элементы «нарышкинского барокко», но основное украшение, многочисленные изразцы: зелёные «муравленые» изразцы в кокошниках основного храма и многоцветные «поливные» изразцы на шатровой колокольне. Колокольня, прорезанная 32 слуховыми окнами, является одной из самых высоких в Москве. На северной стене церкви сохранились каменные надгробные таблицы XVIII века, напоминающие о бывшем приходском кладбище.

В 1694 году в трапезной был освящён придел в честь митрополита Алексия, что связано с Чудовской слободой, так как митрополит Алексий основал Чудов монастырь в Кремле. В 1757 году добавился придел святого Димитрия Ростовского, для чего трапезная была расширена с севера из-за увеличения числа прихожан. В XVIII веке Хамовная слобода активно развивалась, на её основе была создана Казённая полотняная фабрика, а затем голландец Иван Тамес основал фабрику парусинных и лентовых материалов. Однако в начале XIX века текстильное производство почти полностью покинуло эту местность, уступив место Хамовническим казармам и другим зданиям военного ведомства.

Во время Отечественной войны 1812 года храм пострадал, но вскоре был восстановлен. В 1840-х годах появилась новая настенная роспись, а в 1872 году вместо Димитриевского был устроен придел иконы Божией Матери «Споручница грешных».

В XX веке Никольская церковь не закрывалась и сохранила своё убранство почти нетронутым, за исключением утрат 1922 года при изъятии церковных ценностей. Расширение соседней улицы и создание Комсомольского проспекта её не затронули, лишь ограда в 1959 году была перемещена ближе к храму. Сохранились и старинные колокола, включая колокол 1685 года. Время значительно изменило Хамовную слободу, но церковь святого Николая Чудотворца более 300 лет остаётся на своём месте.