Никольская церковь, построенная из дерева, появилась в Якутске в 1718 году и стала одной из первых в городе. Она находилась за Ратушной площадью, рядом с острогом. В середине XVIII века упоминалась церковь Николая Чудотворца с богадельнями.

Со временем деревянное здание, вероятно, обветшало или сгорело, и в 1791 году жители начали строительство нового каменного храма. Из-за нехватки средств строительство длилось более тридцати лет. Храм возводился на месте, где позже разместился Институт геологии Якутского научного центра. К осени 1821 года был завершён верхний этаж, и освящены три верхних престола. Однако после землетрясения фундамент оказался непрочным, что привело к разрушению стен и появлению трещин. Комиссия установила, что строитель не уделил должного внимания фундаменту. В 1834 году Якутское областное правление получило указание из Иркутска о разборке стен церкви. Известно, что нижний этаж имел 18 окон, верхний, 20 окон, а высокий четверик состоял из двух этажей с шестью престолами. В храме было 9 колоколов, включая большой и полиелейный весом 66 пудов 18 фунтов.

Идея строительства нового Никольского кладбищенского храма для погребальных обрядов была предложена купцом Иваном Яковлевичем Шиловым и поддержана горожанами, собравшими средства через пожертвования. Летом 1843 года Якутск посетил архиепископ Иркутский Нил Исакович, поддержавший инициативу. В городе начали производство кирпича и добычу камня, сформировались артели каменщиков. 9 мая 1847 года был освящён фундамент, а к 1851 году строительство церкви в основном завершилось. Купец Шилов контролировал стройку, выбирал место и закупал материалы. В 1852 году архиепископ Камчатский Иннокентий Вениаминов освятил главный престол, а позже были освящены ещё два. В новую церковь перенесли колокола, облачение и иконы из старой. Все три иконостаса были созданы по чертежам архитектора Диаконова. В ограде церкви хоронили людей из разных сословий. Купец Иван Яковлевич Шилов-младший был похоронен у входа в храм за свои благодеяния.

В 1920-е годы Никольская церковь стала известна из-за расстрелов в её ограде представителей интеллигенции, купечества и духовенства. Церковь передали обновленцам, а в 1930-е годы с неё сбросили колокола. К концу десятилетия стройки города приблизились к кладбищу, которое начали сносить. Памятники были украдены, а к 1939 году храм остался последним действующим в Якутске, но был закрыт из-за "аварийного состояния".

После закрытия храм частично перестроили и капитально отремонтировали. В нём разместились партийный архив, канцелярия городской архитектуры и библиотечный коллектор, что помогло сохранить здание. В 1945-1946 годах верующим выделили молитвенный дом вместо храма. В 1950-е годы кладбище сравняли с землёй, а надгробные памятники использовали в строительстве, например, под основание городской электростанции. В 1976 году церковь включили в список памятников архитектуры, а в 1982 году провели косметический ремонт. К концу советского периода церковь сохранила свой первоначальный вид и объёмы.

В начале 1990-х годов церковь вернули верующим. Патриарх Алексий II посетил храм в 1993 году и выразил надежду на его восстановление. Правительство Якутии выделило средства на восстановление, и 8 октября 1995 года храм был вновь освящён, став кафедральным собором Якутской епархии. Он сохранял этот статус до 2005 года, когда стал приходским храмом с названием "Градоякутский". В 2010-х годах под руководством Д. А. Трофимова было обновлено внутреннее убранство храма.