Никольский храм был основан в 1883 году. 4 мая 1886 года его освятил епископ Оренбургский и Уральский, Преосвященный Вениамин II Смирнов. Причиной строительства кирпичного здания храма стал пожар, уничтоживший деревянные постройки казачьей станицы и форта, что дало название региону «Форштадт». В это трудное время возникла идея строительства, инициированная казаками Оренбургской станицы под руководством попечителя и подрядчика Е.Г. Колокольцева. Проект был разработан инженером-капитаном В.П. Сахаровым.

Церковь, заложенная в 1883 году на средства прихожан, была освящена в 1886 году Преосвященным Вениамином II. Изначально она была однопрестольной, посвященной святителю и Чудотворцу Николаю, а с 1910 года стала трехпрестольной, в честь Успения Божией Матери и святого великомученика Пантелеимона.

В 1936 году храм был закрыт, и все святыни из него вынесли. Здание использовали для различных нужд: сначала как общежитие, а после 1942 года, для хранения эвакуированных из Москвы и Ленинграда архивов наркомата внутренних дел. 12 апреля 1944 года храм вновь открыли. С 1955 по 1958 год его расписал талантливый местный художник Владимир Рублев. В 1968 году освятили четвертый предел в честь Всех святых.

С 1000-летия Крещения Руси начался благоприятный период для Православной Церкви. В Никольском соборе, по благословению митрополита Леонтия, развернулось масштабное строительство. В 1988-1990 годах был построен новый купол вместо старого деревянного. В 1991 году началось строительство нового придела Всех святых, который освятили в 1992 году. В 1991 году провели позолоту креста и луковицы нового купола. В 1992 году в храме провели реставрационные работы. Колокольня, оказавшаяся слишком маленькой после перестроек, была увеличена в 1994 году. Местные строители под руководством В.М. Коновалова и по проекту Н.А. Быковской надстроили новую высокую колокольню, поднявшуюся на 7 метров. В 1995 году на восточной стороне территории храма возвели водосвятную часовню. В 1994-1995 годах позолотили все три иконостаса, расписали купол и три алтаря, а также провели реставрацию стенной живописи. В 1997-1998 годах построили церковное административное здание, где разместились трапезная, епархиальная типография, воскресная школа, бухгалтерия, библиотека и гостиница для ставленников и священнослужителей. В 2007 году ввели в действие новый храм-крестильню. В 2009 году на территории собора построили новую церковную лавку.