В начале XIX века на Забалке была возведена первая деревянная церковь, посвященная святителю Николаю Чудотворцу. Она находилась на самом высоком месте в округе и изначально служила при военном морском госпитале. В 1819 году церковь передали епархиальному начальству, и она стала приходской.

По преданию, в 1780 году князь Г.А. Потемкин подарил старой госпитальной церкви образ святителя Николая Чудотворца, что и определило название храма. В 1842 году в центре новой рыночной площади построили каменную церковь святителя Николая Чудотворца в классическом стиле. Ее украсили четырехколонными портиками на востоке и западе, а венчали высокий купол на восьмигранном барабане и двухъярусная колокольня. Церковь была освящена 9 мая 1842 года. Во время Крымской войны 1853-1856 годов здесь отпевали защитников Севастополя, умерших в херсонских госпиталях.

До 1917 года при церкви действовала начальная школа для детей из «низших» слоев общества. В первые годы после революции церковь святителя Николая стала первой обновленческой в Херсоне, но это движение просуществовало недолго.

В 1920-е годы храм подвергся разграблению, были изъяты все церковные ценности. В конце 1929 года сняли колокола, уцелели только маленькие, которые оставались в притворе. В 1932 году церковь закрыли и использовали как зерносклад, мастерские и гараж для тракторов до 1941 года.

В 1941 году храм вновь открыли, и богослужения возобновились. Были собраны пожертвования, а местные художники восстановили иконостас. В том же году художник Бабенко создал образ Воскресения Христова, Плащаницу Божией Матери и Распятие Господне. С 1949 по 1954 год восстановили оба придела. Монахиня Евфалия из Херсонского Благовещенского женского монастыря написала иконы боковых приделов, а монахиня Констанция создала Феодоровский и Касперовский образы Божией Матери. Зиновия Осадчева написала икону Божией Матери «Скоропослушница», которая стала главной святыней Никольского Морского собора.

В мае 2007 года, в честь 165-летия со дня освящения, Никольский храм получил статус Морского собора. К этому событию архиепископ Херсонский и Таврический Иоанн подарил собору частицу мощей святителя Николая Чудотворца. В 2009 году была отреставрирована колокольня, а купол покрыли золотистым булатным железом.

22 мая 2015 года архиепископ Иоанн освятил памятник святителю Николаю Мирликийскому, установленный в ограде собора.