Приход был учрежден в 1930 году, его основу составили русские эмигранты. Изначально службы проводились в доме Бориса Тимченко, одного из основателей прихода, на Riggs Place, NW.

В 1936 году община приобрела дом на 1768 Church Street, NW. На первом этаже находилась небольшая часовня, вмещавшая 30-35 человек. Подвал использовался для церковных собраний, лекций по русской культуре и чаепитий. На верхнем этаже проживали некоторые прихожане. В 1940-х годах, после Второй мировой войны, новая волна эмиграции увеличила число прихожан, и дом на Черч-стрит стал тесным для общины.

В 1951 году была куплена площадка для строительства храма на углу Массачусетс-авеню и Эдмундс-стрит, строительство благословил митрополит всея Америки и Канады Леонтий (Туркевич). К этому времени количество прихожан превысило сотню.

Храм строился как памятник жертвам Первой мировой войны и русской революции, в его фундамент была заложена земля из России. Проект храма был выполнен по образцу кафедрального Димитриевского собора XII века во Владимире.

В мае 1955 года был освящен нижний храм.

25 ноября 1962 года храм освятил митрополит Леонтий (Туркевич) в сослужении архиепископа Бостонского Иринея (Бекиша), архиепископа Сан-Франциского Иоанна (Шаховского) и епископа Вашингтонского Киприана (Борисевича).

Богослужения на английском языке начались в 1950-х годах, а с 1965 года Божественная литургия на английском языке проводилась раз в месяц. С 1971 года стали служить две воскресные литургии: на английском и церковнославянском языках.

В 1970 году Американская митрополия получила автокефалию от Московского Патриархата, и Никольский храм стал кафедральным собором Православной Церкви в Америке.

В 1988 году к храму была пристроена колокольня, освященная в честь святого князя Владимира и тысячелетия Крещения Руси.

В октябре 1991 года в Вашингтон прибыли иконописцы из Москвы для росписи собора. Они разработали программу иконографии в русско-византийском стиле XII века, соответствующем архитектурной модели Николаевского собора. Их работа была завершена в 1994 году, к празднованию двухсотлетия Православия в Америке.