Большой кирпичный храм в стиле классицизма был построен на месте каменного собора, возведенного в 1672-1681 годах. Его строительство началось в 1810 году, трапезная была завершена в 1837 году, а основной храм, в 1841 году. В трапезной находились приделы Афанасия Александрийского и Параскевы Пятницы, а боковые приделы главного храма были посвящены Стефану и Печерской Божией Матери.

Основной объем здания представлял собой четверик с крупной ротондой, трапезной и боковыми приделами, завершенными малыми куполами. Отдельно стоящая многоярусная колокольня в эклектичном стиле была построена в 1865-1875 годах. В соборе хранился чудотворный образ Николая Чудотворца, вырезанный из дерева и явленный в 1415 году. Храм располагался на вершине Соборной горы (в XVII веке известной как гора Самород) у впадения реки Мцны в Зушу.

«Дом святого Николы» в Мценске был одним из древнейших храмов Орловской области и, вероятно, существовал уже в XII веке. Первые документальные упоминания о нем относятся к 1625 году. Деревянный собор находился в центре Мценского кремля, известного как Рубленый город. В кремле также располагалась деревянная церковь Параскевы Пятницы. В 1672 году на месте обветшавшего деревянного храма началось строительство каменного собора с колокольней, которое продолжалось до 1681 года. В 1689 году здесь был похоронен строитель храма. В 1757 году собор сильно пострадал от пожара, тогда же сгорели остатки деревянной крепости и церковь Параскевы Пятницы, которую затем отстроили в другом месте. В этом же году были разобраны старые трапезная и колокольня, и началось строительство новых. К 1773 году была построена более обширная трапезная с приделом во имя Афанасия Александрийского и высокая колокольня в барочном стиле.

К началу XIX века старый собор обветшал и стал тесен для прихожан. Новый проект был заказан архитектору Аврааму Ивановичу Мельникову. Новый собор заложили в 1810 году на территории между старым собором и местом, где стояла Пятницкая церковь. В 1837 году завершили теплую трапезную с двумя престолами: Св. Афанасия Александрийского и Св. Параскевы Пятницы. Старый собор был разобран, оставили только колокольню, а новый храм расширили за счет приделов, завершенных в 1841 году. В 1844-1845 годах собор был расписан художниками Тихоном и Николаем Богдановыми. В 1859 году территорию окружили каменной оградой. В 1865 году началось строительство новой колокольни, завершенное через десять лет.

Самый большой колокол весил 718 пудов и был отлит на московском заводе Смагина. На колокольне также висел старинный вестовой колокол с надписью: «7188 (1680) февраля в 2 день, Великого Государя казенной вестовой колокол во Мценск».

Главной святыней собора был чудотворный образ Св. Николая Чудотворца, к которому ежегодно приходили сотни тысяч паломников. По преданию, образ прибыл в Мценск в 1415 году на камне в виде креста против течения реки Зуши. Собор привлекал внимание путешественников, среди которых были князь И.М. Долгоруков и филолог И.И. Срезневский. Н.С. Лесков в своем произведении упоминает, что его герой Левша отправился поклониться чудотворному образу перед важной работой.

Храм был взорван в 1930-е годы, а остатки его стен простояли до начала 1960-х годов. В 1996 году, к 850-летию Мценска, на его месте была построена кирпичная часовня.