Каменный храм был возведен в 1783 году благодаря финансированию тарского купца Якова Перменова. В украшение собора вложился также купец второй гильдии Петр Васильевич Седельников. Храм находился в нагорной части города Тары, рядом со спуском к речке Аркарке, где она впадает в Иртыш, на бывшей Никольской улице, ныне Советской.

Здание, выполненное в форме "корабля", было одноэтажным и включало храм с апсидой, трапезную и притвор с восьмигранной колокольней. Храм завершался восьмигранным барочным куполом, увенчанным фонариком с куполочком и круглой главкой на высокой шее. В 1884 году иконы в приделах были отреставрированы на средства тарского купца Федора Ивановича Щербакова.

Собор Святого Николая Чудотворца с 1832 года имел два придела: правый, посвященный апостолам Петру и Павлу, и левый, священномученику Харлампию. Стены храма были гладкими, с пилястрами по углам, а над окнами располагались наличники в виде сложных картушей. Завершение храма и колокольни имело форму купола, над карнизом возвышались волютообразные аттики с люкарнами в центре и декоративными главками по углам. Над куполом располагался восьмигранный фонарик с четырьмя окнами, завершенный сложным куполочком. По углам трапезной и над алтарем находились главки. Храм венчали девять круглых главок с резными восьмиконечными крестами. В главной церкви на среднем своде были устроены хоры. Высота церкви составляла 12 саженей, длина, 18, ширина, 5 саженей 2 аршина; высота колокольни, 15 саженей. В храме было шесть колоколов, самый большой весил 108 пудов 8 фунтов и имел надпись.

Иконостас главного храма был старинным, четырехъярусным с резьбой коринфского ордера, окрашен в зеленый цвет, резьба позолочена. Иконостасы в трапезной были трехъярусными, с посеребренными пилястрами и капителями, царские врата также были резными и посеребренными. Иконы были выполнены в старинном греческом стиле и находились в позолоченных и посеребренных рамах и ризах. В храме хранились два серебряных напрестольных креста с частицами мощей святых и три Евангелия, изданные в 1735 и 1748 годах.

В 1921 году имущество церкви было национализировано. В 1922 году община арендовала церковь.

20 июня 1935 года Тарский окрисполком принял решение о расторжении договора аренды с тихоновской общиной, так как она отказалась делить здание с обновленческой общиной. В одноэтажном здании невозможно было проводить службы для двух конфессий одновременно. 13 марта 1938 года храм был закрыт, а здание передано для культурных нужд. В конце марта 1938 года собор был разобран.

Зимой 2007 года сотрудники сектора археологии ОФ ИАЭТ СО РАН обработали и подготовили архивные и картографические материалы по историческому центру города Тара, что позволило в августе того же года провести археологические работы на предполагаемом месте собора. Исследования городского культурного слоя с помощью шурфов позволили обнаружить фундамент храма. На месте бывшего собора был установлен поклонный крест.