Николаевская церковь была основана в 1788 году. Первоначально она была деревянной, но в 1792 году её разобрали и перенесли за город на кладбище, где вновь построили и освятили во имя святых мучеников Флора и Лавра. На её месте в 1793 году заложили новую каменную двухэтажную церковь. Спустя три года нижний храм был завершён и освящён в честь Святого Николая, архиепископа Мирликийского Чудотворца, а строительство верхнего этажа завершилось в 1802 году, когда его освятили в честь Рождества Пресвятой Богородицы.

В 1845 году с южной и северной стороны были заложены каменные двухэтажные приделы. На южной стороне нижний храм освятили в честь Рождества Святого Иоанна Крестителя, верхний, в честь Тихвинской иконы Божией Матери, а на северной стороне нижний храм освятили в честь Святого Пророка Божия Ильи. Строительство нижнего этажа приделов завершилось в 1848 году, тогда же установили иконостасы, а в 1849 году их освятили. Верхний этаж был завершён в 1852 году, освящение южного придела произошло в 1853 году, а северного, в 1854 году.

Теснота храма, особенно его нижнего этажа, становилась заметной в большие праздники из-за большого количества молящихся, что вызвало необходимость расширения. В 1855 году началось расширение, при этом колокольня была разобрана, а для лестниц сделали новую пристройку, продолжив приделы к западу. Взамен разобранной колокольни построили новую высотой 20 саженей. В 1895 году лестницы вновь перестроили, заменив деревянные на каменные, а помещения, которые они занимали, приспособили для архива, ризницы и библиотеки с южной стороны, и для кладовой и сторожки с северной.

Снаружи Николаевская церковь представляет собой правильное четырехугольное здание с шестиугольным главным алтарём, увенчанным куполом с высоким фонарём, заканчивающимся колокольней. На западной стороне выведены новые пристройки для лестниц. Над главным алтарём устроен такой же фонарь, как и над куполом.

Церковь отличается белизной своих прямых, почти гладких стен, которые приятно оттеняются зеленью окружающих берёз и других растений. Внутри она недостаточно высока, особенно в средней части нижнего этажа, которая также темна. Лучшей частью является средний храм верхнего этажа, особенно под куполом, где внимание привлекает оригинальный четырёхъярусный иконостас из липового дерева в стиле рококо, установленный в 1890 году. В главном храме нижнего этажа иконостас существует с 1863 года. Среди икон заслуживает внимания Тихвинская икона Божией Матери с богатой серебро-позлащенной ризой, украшенной драгоценными камнями, устроенной купцом О.И. Фетисовым. В нижнем этаже стены были заново окрашены и расписаны в 1900-1901 годах, а верхний этаж нуждается в ремонте.

Приход Николаевской церкви не ограничен определённой территорией, прихожане рассеяны по всему городу, что связано с пожарами 1870-х годов. Число прихожан достигает 1550 человек в городе и 950 в двух деревнях. В пределах прихода две церковно-приходские школы, одна из которых находится в городе, а другая в деревне Погорелка.

К церкви приписаны три каменные часовни, одна из которых во имя Святого Пророка Божия Ильи находится на площади между городом и земской больницей, а две другие, в деревнях прихода.

В 1902 году архитектурная роль Николаевской церкви оценивалась как начало нового ансамбля культовых сооружений города, с ярко выраженной классической направленностью и барочными мотивами куполов.

В 1880-х годах священником был известный математик Иван Михеевич Первушин, который позже был переведён в село Мехонское. В 1907 году настоятелем храма был священник Сергей Валентинович Конев, а вторым священником Павел Александрович Писарев, оба из Верхотурского уезда.

В конце 1920-х и начале 1930-х годов в здании храма располагалось общежитие агропедтехникума, а в 1940-1950-е годы, автомеханический техникум. В 1991 году храм был возвращён верующим, начались восстановительные работы, и 19 декабря 1991 года состоялась первая служба после закрытия. В честь Николаевской церкви в городе названы две улицы, ныне Ленина и Р. Люксембург.