История римско-католического костела в Тамбове берет начало в 60-х годах XIX века. После подавления польского восстания 1863 года многие католики-поляки были высланы в различные губернии России, и значительное их число оказалось в Тамбовском крае. Со временем они обосновались в Тамбове, и возникла необходимость в храме как духовно-культурном центре. В октябре 1896 года тамбовские католики собрались в зале Публичной библиотеки и решили построить собственный храм.

Шестьдесят три представителя, включая Свирчевских, Каменских, Вольских, Кучевских и других, обсудили вопросы финансирования и места строительства костела. Была открыта подписка для сбора средств. Для строительства предлагалась усадьба М. А. Кучевского на Покровской улице, рядом с домом А. Н. Чичерина. Усадьба была достаточно большой, чтобы разместить временный молитвенный дом, который позже мог бы стать богадельней. Средства на богадельню были завещаны врачом Вороничем.

Проект и смета были подготовлены в 1898 году. Строительством занимался совет из четырех человек: К. К. Вольский, инженер-строитель Теофил Свирчевский, судебный следователь А. Костецкий и инженер-технолог Казимир Дембовский. Работы велись под руководством Теофила Свирчевского. Уже 25 мая 1903 года в костеле начались богослужения, хотя храм еще не был полностью завершен. Внутренняя отделка продолжалась несколько лет.

Собор, выполненный в готическом стиле с многочисленными стрельчатыми арками и двумя высокими башнями, был уникален для центральной России. Искусствовед Г. К. Лукомский отметил в нем влияние русского искусства. Однако этот памятник архитектуры сохранился лишь на редких дореволюционных открытках. При костеле был создан приход, и назначен католический священник, подчинявшийся Могилевскому митрополиту. Усадьба вокруг костела была украшена зеленью и цветниками.

Костел служил верующим только 32 года. В 1918 году власти начали изымать его имущество. Могилевский митрополит писал, что имущество костелов в России создано из пожертвований иностранных граждан, и государство не имеет на него прав. В начале 20-х годов закрыли библиотеку при костеле, а книги передали в Польский партийный клуб. Ксендз Казимир Вержбицкий был репрессирован в 30-е годы.

В феврале 1935 года органная музыка в костеле смолкла. Сообщалось, что община распалась, и костел не использовался. Горсовет предлагал арендовать помещение для культурных целей, но желающих не нашлось. В июне 1936 года предложили переоборудовать костел под швейную мастерскую. Духовные ценности костела были утрачены, а после войны орган был демонтирован. Долгое время здание использовалось заводом.

К середине 90-х годов XX века костел был в плачевном состоянии. Однако благодаря усилиям журналиста К.Н. Денисова в 1996 году возродилась католическая община, и здание было возвращено верующим. С помощью средств из Польши началось восстановление храма. В 1998 году в храме зажгли Вечный Свет, а в 2000 году освятили кресты и установили шпили. В 2001 году были освящены и установлены колокола, подаренные польской фирмой. Восстановление костела под руководством отца Йозефа Матиса было в основном завершено. В 2007 году у храма установили памятник святителю Николаю.