На городском собрании в Льгове было принято решение построить храм в честь Святителя Николая Чудотворца, чтобы увековечить чудесное спасение Императорской семьи в железнодорожной катастрофе. Строительство длилось с 1888 по 1911 год и осуществлялось на пожертвования горожан. Важную роль в этом процессе сыграли известные льговские купцы: Пафнутьевы, Коншины, Крыгины, Гадицкие и Жбанковы. Кирпич для храма поставлялся с близлежащего завода, а внутреннее убранство отличалось богатством. Иконостас был создан по эскизам Н.Д. Бартрама в известной московской Семеновской мастерской.

После революции в храме продолжались богослужения, но после декрета об изъятии церковных ценностей в 1922 году власти неоднократно изымали имущество храма. В 1930-х годах храм был закрыт, и богослужения прекратились.

Во время Великой Отечественной войны, когда Льгов с 1941 по 1943 годы находился под оккупацией, храм вновь открылся, и богослужения возобновились. С тех пор они продолжаются и по сей день.