Собор был преобразован из древней турецкой мечети в 1794 году по просьбе гарнизона Очаковской крепости и православных жителей города. В 1906-1907 годах собор снова был перестроен и приобрел полностью христианский облик. Он вмещает до 300 молящихся, а престол посвящен Святому Николаю Чудотворцу. Колокольня соединена с церковью.

Среди достопримечательностей собора выделяются крест и Евангелие, созданные стараниями солдат, одержавших победу под командованием полководца А.В. Суворова при взятии Кинбурга 1 октября 1787 года. Также в соборе хранится золотой крест, установленный в память о штурме и взятии Очакова 6 декабря 1788 года князем Потемкиным-Таврическим. Этот крест, как образец, хранился 100 лет в Главном Штабе, а затем был передан в Очаковский крепостной собор по указу Императора Александра III в честь столетия взятия Очакова. В соборе также находится большая запрестольная икона Спасителя, которая была пробита осколком бомбы 4 октября 1855 года, но изображение осталось нетронутым. На месте пробоины вставлено деревянное изображение бомбы. Кроме того, в соборе есть два оловянных потира и звездица из бывшей Очаковской греческой церкви.

С момента освящения собора и до 1826 года он находился в ведении Епархиального начальства, затем до 1864 года был под управлением Обер-Священника Армии и Флота, после чего снова перешел в Епархиальное ведомство и оставался там до 1890 года, когда был передан в ведение Протопресвитера военного и морского духовенства. Рядом с собором установлен памятник А.В. Суворову, открытый в 1907 году, а также находится братская могила героев, павших при взятии крепости Очакова. По штату при соборе служат священник и псаломщик.

На оборотных сторонах креста и Евангелия выгравированы надписи, посвященные победе российских войск под Кинбургом 1 октября 1787 года. Эти святыни первоначально находились в Кинбургской Покровской церкви, где Суворов молился перед битвой. После захвата Кинбурга 4 октября 1855 года англо-французскими войсками они были похищены и увезены в Константинополь, но после заключения мира возвращены в Одесский кафедральный собор. В 1863 году, по ходатайству Главного Священника Армии и Флота, Священный Синод предписал передать крест и Евангелие в Очаковский крепостной собор.

Настоятель собора, протоиерей О. Гавриил Судковский, проявил мужество при обороне Очаковской приморской батареи 22 сентября 1854 года. Он прибыл на батарею со Святым Крестом и под обстрелом врага вдохновлял артиллеристов, помогая заряжать орудия. За это Император наградил его золотым крестом на Георгиевской ленте 24 ноября 1854 года.