Каменный храм во имя великомученика Никиты в Никитском монастыре существовал с давних времён, но к 1528 году он обветшал и был разобран по указу великого князя Василия Иоанновича. Василий III выделил средства на строительство новой церкви, однако она была небольшой и вскоре стала частью нового соборного храма. В 1561 году Иван Грозный решил разобрать старую церковь, построенную его отцом, и воздвигнуть новую над гробом Преподобного Никиты. Новый каменный собор был построен вокруг церкви Никиты Столпника, первого каменного храма монастыря, и старая церковь стала южным приделом собора. Позже к нему пристроили северный Всехсвятский придел. Благодаря поддержке царя, строительство шло быстро, и в 1564 году собор был завершён. На его освящении присутствовали царь, царица Мария, царевич Иоанн и митрополит Афанасий. Первоначально крыша собора была деревянной, но в 1686 году её покрыли белым железом, а в 1764 году заменили на железную четырёхскатную крышу, убрав дуги закомар. В 1759 году были увеличены окна. До середины XVIII века собор оставался нерасписанным, и лишь в 1764 году его украсили живописью. В 1838 году роспись обновили, но неудачно, а в 1876 году её заново выполнил академический живописец Грибов.

После закрытия монастыря в 1923 году ценные предметы из собора передали Переславскому музею, а сам собор использовали не по назначению. На территории монастыря размещались различные учреждения, которые не заботились о сохранении памятников. В результате собор и другие постройки сильно пострадали. В 1933 году был уничтожен уникальный иконостас собора. Восстановительные работы, начатые в 1960-70-х годах, не принесли пользы собору, а в 1984 году из-за ошибок реставраторов обрушился центральный купол. Несколько лет храм стоял без купола, подвергаясь воздействию стихии. Сейчас купол восстановлен, а фундамент укреплён. К 2013 году собор был внешне отреставрирован, но работы по росписи стен и сводов продолжаются под руководством палехского художника Сергея Григорьевича Морозова.