В XIX веке в селении Саткинского завода проживало множество старообрядцев различных направлений, включая поморское согласие. В 1835 году официально зарегистрировали 135 членов Никольско-Успенской поморской общины, которую возглавлял старшина Антон Алексеевич Алпатов. Молебны проводились в его доме. В 1840-х годах, из-за притеснений, многие старообрядцы перешли в единоверие. В 1848 году в Саткинском заводе числилось 181 единоверец, а к 1850 году их стало 191. Наставником общины оставался А. Алпатов, и богослужения продолжались в его доме, который не мог вместить всех. На большие праздники единоверы были вынуждены посещать единоверческую церковь в Златоустовском заводе.

21 марта 1850 года единоверы Сатки подали прошение горному начальнику о строительстве молитвенного дома, планируя финансировать его за счет богатых прихожан. Казна не оказывала поддержки. Точная дата строительства неизвестна, но, вероятно, это были 1850-е годы. Дом вскоре перестал удовлетворять нужды верующих, и они обратились в Уфимскую Духовную консисторию с просьбой о строительстве новой церкви, приложив чертежи перестройки. Документы отправили архитектору Тележникову в Главную контору Златоустовских заводов, но дело затянулось. Наконец, 4 ноября 1862 года пришел ответ от Тележникова, что он не получил утвержденных планов и фасадов, и проект был утерян при переезде.

В 1906 году вопрос о строительстве новой кирпичной церкви подняли вновь. Акулина Наумовна Бобылева пожертвовала участок на улице Большой (ныне Комсомольской). Если бы казна выделила часть заводской площади, храм начали бы строить напротив дома Ивана Степановича Алпатова. Однако 25 мая 1906 года было решено строить церковь на месте молитвенного дома. Через два года, 25 мая, состоялась закладка нового храма во имя Николая Чудотворца, освященная архимандритом Воскресенского единоверческого монастыря. На церемонии присутствовали отец Благочинный Златоустовской церкви, приходской священник отец Анемподист Мурдасов, управитель Саткинского завода А. Д. Авраменко, пристав И. Трофимов и прихожане.

Одним из подрядчиков строительства был Федор Чирков. Церковь построена на бутоволенточном фундаменте из красного кирпича, изготовленного на саткинских заводах И. Алпатова и П. Щепкина. Здание имеет слабовыраженный крест в плане. Росписью занимался богомаз Евгений Лаврентьев. Новую церковь возводили вокруг деревянного молитвенного дома, где продолжались богослужения. После завершения строительства в 1913 году старую церковь разобрали и перевезли в Монастырку.

Колокольня завершалась шатром с крестом. Главы церкви имели луковичную форму. Центральная глава располагалась на световом барабане, четыре меньшие, на восьмигранных шеях, шестая, на апсиде. Здание выполнено в «неорусском» стиле.

Свято-Никольская церковь имела шесть колоколов, самый большой весил 59 пудов 21 фунт, а самый маленький, 21 фунт. Внутри находился богатый позолоченный иконостас с 40 иконами, из которых сохранилась одна, «Господь, Саваоф». Среди церковной утвари были серебряные и позолоченные предметы, которые изъяли в 1921 году и отправили в помощь голодающим.

Церковь закрыли в конце 1930-х годов. Колокола сняли, звонницы и купола разрушили. Никольская церковь сохранила внешний вид, хотя росписи закрасили. Во время Великой Отечественной войны и некоторое время после в церкви проводились службы. С 1944 по 1948 год она была действующей, но затем вновь закрылась. В начале 1950-х годов здание передали конторе «Заготзерно». Планировалась перестройка в кинотеатр «Победа», но в 1958 году здание передали городскому краеведческому музею, что спасло его от разрушения. В 1987 году здание признали памятником архитектуры местного значения. 2 декабря 1991 года церковь освятили и она вновь стала действующей.

В 2017 году, в связи с образованием Златоустовской епархии, храму преподобного Серафима Саровского в Златоусте присвоили статус кафедрального собора. Этот же статус получил и Никольский храм в Сатке, так как там расположена вторая кафедра епархии.