Первый храм Симбирска был построен одновременно с крепостными стенами. В год его возведения, царь Алексей Михайлович отправил в город серебряный напрестольный крест, украшенный позолотой, жемчугом и драгоценными камнями, в котором хранились мощи и части риз 43 святых. Позже храм получил и другие царские дары. Во время осады Симбирска Степаном Разиным служители храма организовали крестный ход вокруг города, проходивший под обстрелом. Впереди несли крест с мощами, и одна из пуль оставила на нем глубокий след. Вскоре Разин отступил, а крест, как символ защиты, хранился в соборе до его закрытия.

В 1694 году пожар уничтожил деревянный собор, и было решено построить новый из камня. В 1702 году начали закладывать два придела, а завершили строительство в 1712 году. Центральная часть Николаевского собора, почти квадратная, имела большой купол, поддерживаемый четырьмя столбами, и четыре небольших купола по углам. Изначально собор имел деревянную звонницу, которую в 1857 году заменили на высокую четырехъярусную колокольню. Она сначала стояла отдельно, но позже была соединена с собором. До 1844 года собор назывался Свято-Троицким, но после строительства нового собора его переименовали в честь Святителя Николая Мирликийского Чудотворца. Вход в собор был с южной стороны через паперть под колокольней. Алтарь отделялся резным иконостасом с древними иконами, которые в 1840-х годах украсили драгоценными окладами. В соборе были похоронены второй, третий и пятый епископы Симбирской епархии. В 1898 году собор был перестроен на средства купца Н.Я. Шатрова, что сделало его более просторным. Собор был уничтожен в 1920-х годах.