Первая Никольская церковь в Вилюйске была освящена в 1742 году. Деревянный храм выполнял функции собора после учреждения Якутской и Вилюйской епархии в 1870 году. В начале XX века в Вилюйском благочинии насчитывалось более 30 храмов и часовен, три из которых находились на территории города: Никольский собор, Иннокентьевская кладбищенская церковь и Новониколаевский собор.
Никольский собор к концу XIX века требовал ремонта из-за подмыва берега рекой. В 1910 году завершилось строительство нового деревянного однопрестольного Новониколаевского собора в центре города, освященного 12 декабря. Император Николай II пожертвовал на строительство 1000 рублей. Вилюйские купцы Н.А. Расторгуев и И.Н. Харитонов подарили собору серебряные ризы для икон.
В 1920 году Никольский собор был полностью разрушен. Возрождение храма началось в 2006 году с освящения места под строительство. Новый Свято-Никольский храм был построен между 2006 и 2013 годами. Великое освящение воссозданного храма состоялось 7 октября 2013 года.
В храме сохранились чтимые святыни, включая икону святителя Николая из старого собора. При храме действовала церковно-приходская школа с 1886 года, новое здание для которой построил купец Харитонов в 1898 году. Библиотека при соборе насчитывала более 400 экземпляров книг и журналов.
Миссионерская деятельность в Вилюйском округе связана с именем святителя Иннокентия (Вениаминова), посетившего регион в 1854 году. К началу XX века в округе сложились священнические династии, включая Винокуровых, Поповых и Синицыных. Основатель династии Винокуровых, священник Михаил Винокуров, участвовал в организации приходской жизни Никольской церкви.
