Никольский кафедральный собор представляет собой целый архитектурно-административный комплекс, состоящий из сообщающихся Николо-Низской и Покровской церквей, отдельно стоящей колокольни и ряда церковно-административных зданий. На месте Никольского собора уже в 1565 году находилась деревянная церковь Николы Боровского. В конце XVII века вместо нее была возведена каменная двухпрестольная Николо-Низская церковь с приделом в честь Рождества Христова.
Церковь была выстроена как бесстолпный одноглавый храм. В период с 1696 по 1703 год была построена небольшая зимняя Покровская церковь, представляющая собой пятистолпный трехапсидный храм с пятиярусной колокольней, отстроенной в 20-е годы XVIII века. Покровский храм украшают пять луковичных главок, что, вероятно, явилось результатом частичной перестройки храма в 1892 году. Во второй половине XVIII века Николо-Низская церковь пришла в полную ветхость и в 1883 году была разобрана, а к 1885 году вместо нее был выстроен новый храм. Имена жертвователей увековечены на мраморной доске, установленной на стене храма. Это известные казанские благотворители Павел Васильевич Щетинкин, Василий Иванович Заусайлов, Александр Никифорович Свешников и Григорий Николаевич Горинов. Только Горинов был прихожанином и старостой этой церкви, все остальные жили в других приходах. Огромная заслуга в строительстве новой церкви принадлежала священнику Николаю Максимовичу Варушкину (1831-1903), служившему здесь, в одном из самых малолюдных городских приходов в 1871-1903 гг. и пользовавшемуся огромным уважением всей православной Казани.
В 1930 году храм был закрыт. Однако при Казанском архиепископе Гермогене (Кожине), в связи с существованием в Казани одной только кладбищенской церкви, удалось добиться от властей разрешения на открытие Никольского храма, который с момента своего восстановления - с 1946 года - получил статус кафедрального собора. В этом качестве собор остается и поныне.
В настоящее время в церкви хранятся многие казанские святыни: чудотворные списки Казанской и Тихвинской икон Божией Матери, чудотворная Феодоровская икона Пресвятой Богородицы (главная святыня бывшего Феодоровского женского монастыря г. Казани), чудотворная икона святителя Николая Мирликийского "Куюковская", обретенная 11/24 июня 1897 года в селе Куюки под Казанью, и многие другие святыни.
