Квартал вокруг собора до сих пор говорит на языке морского ведомства: одноэтажные казармы, Канонерская улица, где «канонир» значит пушкарь. Место выбрали в южной части полкового двора ещё и потому, что рядом были вода и причалы. В 1752 году президент Адмиралтейств-коллегии князь Михаил Голицын подал императрице Елизавете Петровне прошение о храме «в воздаяние достойной памяти славных дел флота Российского». Напротив до сих пор стоит Никольский рынок — каменные корпуса 1788—1789 годов.
Строили с 1753 по 1762 год по проекту Саввы Чевакинского. Получился, как считается, один из ярчайших памятников елизаветинского барокко в церковной архитектуре: 64 метра высоты, вместимость около 5000 человек, пучки коринфских колонн, лепные наличники, кованые решётки балконов. Это была полковая церковь, а не придворная: её строили на средства морского ведомства и пожертвования. Отдельно стоящая четырёхъярусная колокольня поднялась в 1755—1758 годах на 74 метра со шпилем.
Внутри собора 2 храма. Нижний, трёхпридельный, освящён во имя Николая Чудотворца, покровителя плавающих; верхний, однопрестольный, — во имя Богоявления. Верхний престол освятили 20 июля 1762 года в присутствии Екатерины Второй, и она велела называть новую церковь собором. Резные иконостасы сделали Канаев и Никулин, образа писали братья Колокольниковы: Федот в верхней церкви, Мина в нижней. Главная святыня — греческая икона Николая Чудотворца семнадцатого века с частицей мощей.
Собор был полковым храмом Гвардейского экипажа и традиционно окормлял моряков. В 1808 году его передали епархии, а в 1900-м он вернулся морскому ведомству. В саду перед храмом в 1908 году поставили Цусимский обелиск в память об экипаже броненосца «Император Александр Третий»: деньги собрали матросы и офицеры, эскиз сделал полковник князь Путятин. Позже в верхнем храме появились доски экипажам атомной подводной лодки «Комсомолец» и других погибших лодок, а с 2000 года совершается поминовение моряков «Курска».
После 1917 года собор не закрывался, и службы шли в нём без перерыва. В 1941—1999 годах он был кафедральным, на хорах жили ленинградские митрополиты. 10 марта 1966 года в нижней церкви отпевали Анну Ахматову. Позже в нижнем ярусе колокольни освятили часовню. В 2008 году заново освятили верхний храм и вернули в него иконы и раку с частицами мощей. Реставрация колокольни шла с 2021 по 2024 год. В дни памяти здесь служат панихиды по погибшим морякам. Имя собора разошлось по карте: Никольская площадь, Никольский переулок и 2 моста через Крюков канал.