Строительство Никольского собора Черноостровского монастыря началось в 1812 году, однако спустя десять лет в фундаменте обнаружились трещины, и собор разобрали до основания. Новый храм в стиле классицизма был заложен в 1825 году и завершен в 1843 году. Главный придел освятили 26 августа 1843 года. Высота храма составляет 47 метров. Точный архитектор собора неизвестен, но предполагается, что им мог быть А. Л. Витберг, по проекту которого был построен Храм Христа Спасителя в Москве.

Никольский собор имеет три престола, расположенные один над другим: на первом этаже находится престол Всех Святых, освященный в 1876 году, на втором, святого Николая, а на хорах, придел в честь Преображения Господня, освященный в 1849 году. К собору примыкает галерея, в которой устроена лестница, ведущая к нижней площадке монастыря, где расположен вход в церковь Всех Святых. Купол храма поддерживают четыре колонны с капителями коринфского ордера, а середина здания образует просторную ротонду. Строительство собора финансировалось участниками войны 1812 года.

После закрытия монастыря в 1920 году Никольский собор оставался единственным действующим храмом на этой территории. В 1939 году в нем открыли экспозицию музея 1812 года, но после Великой Отечественной войны ее перенесли в часовню. В помещении собора поочередно размещались техникум, шахматный клуб, художественная школа и хлебозавод. Со временем монастырь пришел в запустение, но его постройки сохранились с XIX века. В 1991 году началось восстановление монастыря, и сегодня Никольский собор полностью реконструирован.