Первая деревянная церковь, посвященная Николаю Угоднику, была построена в Бобруйске в 1600 году. Первоначально она принадлежала униатской церкви, но в 1798 году была возвращена в православие и получила статус собора. В 1812 году началось строительство Бобруйской крепости, и местные жители переселились на Паричский форштадт, куда был перемещен и храм.

В 1829 году произошло новое переселение жителей на Минский форштадт, где в 1835 году была построена новая деревянная Свято-Никольская церковь. К 1880 году Никольский приход охватывал все население Бобруйска, включая близлежащие хутора и деревни, и насчитывал 4124 прихожанина.

В период с 1892 по 1894 годы за счет казны и пожертвований горожан в центре Бобруйска был возведен новый каменный собор, освященный в честь Николая Чудотворца. К приходу относились 11 деревень, примыкающих к городу. К началу XIX века численность прихожан достигала около 7000 человек. Свято-Никольскому собору принадлежала церковная земля, включая 2 десятины садовой, 37 десятин пахотной и 33 десятины сенокосной. В притч входили храм на хуторе Луки, церковь на местном погосте и церковь на Березинском форштадте, для которой использовали материалы бывшей деревянной Никольской церкви. Также действовали несколько воскресных школ, включая соборную.

При большевиках Свято-Никольский собор в Бобруйске был закрыт, а в 1922 году все церковные ценности были конфискованы. Храм возобновил работу в 1941 году с началом войны. В период оккупации рядом с храмом располагался немецкий госпиталь, и на территории собора был организован некрополь для погребения умерших солдат и офицеров. В 2014 году останки немецких военнослужащих были эксгумированы и перезахоронены на другом кладбище. В 1964 году собор закрыли, а все культовые предметы передали в Николо-Софийскую церковь, куда перешла и приходская община. Здание собора было переоборудовано в детско-юношеский плавательный бассейн.

В 2003 году здание собора было возвращено православной церкви, и началось его восстановление. В 2007 году обновленный и отреставрированный храм был заново освящен. Шестикупольное здание имеет два престола и выполнено в неорусском стиле, высота колокольни составляет 32 метра. Стены собора отштукатурены, а во внешней отделке использованы традиционные элементы архитектурного декора: зубчатые фризы и арочные оконные проемы. Изначально стены собора были розового цвета. При храме действуют воскресная школа, библиотека, казначейство, а также оказывается помощь инвалидам и одиноким пенсионерам.