Еще в XVII в. в Касимове существовал мужской Николаевский монастырь. В писцовых книгах Петра Воейкова в 1627 году уже упоминается в этом монастыре церковь деревянная Николая Чудотворца. В 1705 году по благословенной грамоте митрополита Стефана Яворского посадским человеком Яковом Петровым Яцковым была построена каменная церковь с приделом Иоанна Воина. К церкви была пристроена каменная колокольня, на которой было 4 колокола весом от 1 до 5 пудов. В 1778 году монастырь был упразднен. До упразднения монастыря в приход к оставшемуся храму была определена инвалидная команда в 60 дворов. Люди не хотели забывать, что некогда на этом месте был монастырь, и в память об этом с разрешения епархиального начальства 9 мая стали совершать крестный ход из соборного храма в Николаевский. До 1832 года в храме существовал придел в честь святителя Димитрия Ростовского, который был упразднен, но в 1851 году вновь устроен и посвящен был не только святителю Димитрию Ростовскому, но и святителю Митрофану Воронежскому. В 1867 году трапезная была распространена и построена новая колокольня. Никольский храм в Касимове всегда считался самым древним. Как отмечалось в историческом документе, церковь была «темна, так как имеет мало света, но отличается благолепием».
Особенно почиталась прихожанами икона Николая Чудотворца «иконного письма», где Святитель изображен в архиерейском облачении с мечом в правой руке и с храмом – в левой.
С восточной стороны от храма была каменная часовня, известная тем, что в ней был захоронен Петр Семенов, который был 8 лет послушником в Саровской пустыни при о. Серафиме Саровском. Он скончался в глубокой старости, ему было 124 года, и люди из уважения к нему захоронили его подобающим образом.
В 1922 году для голодающего Поволжья из церкви были изъяты ценности, на что был составлен акт. Церковь была закрыта в 1941 году. Но через два года вновь открылась и больше не закрывалась. С 1944 по 2002 год храм практически являлся кафедральным.