Первое упоминание о Никольском храме в Торжке относится к периоду правления великого князя Иоанна III Васильевича. Первоначальный деревянный храм, основанный неизвестными строителями, сгорел во время одного из частых городских пожаров. По преданию, в огне уцелела только икона святителя Николая Чудотворца, принесённая из Великого Новгорода двумя братьями-каменщиками Оксеновыми (или Романовыми), которые числились прихожанами этого храма.
Второй деревянный храм был построен ниже по течению реки Тверцы, близ её порогов, что обусловило его народное название «Николая, что на порожках». Этот храм упоминается в писцовой книге Торжка за 1625 год. Впоследствии он был перенесён на Христорождественское городское кладбище, а его алтарная часть сохранилась в виде часовни.
Существующий каменный храм был возведён в 1778-1784 годах по благословению Тверского Преосвященного Арсения III (Верещагина) на средства прихожан и благодетелей. Первоначально храм имел один придел в честь святых бессребреников Космы и Дамиана. В 1850 году храм был расширен: в трапезной части устроены два тёплых придела – правый в честь Страстной иконы Божией Матери и левый, сохранивший прежнее посвящение Косме и Дамиану.
В XIX веке, в связи с близостью к военным казармам, храм выполнял функции полковой церкви. В 1930 году храм был закрыт и использовался как складское помещение для хранения соли, что привело к повреждению стен. В 1997 году храм был возвращён Русской Православной Церкви, и в нём возобновились богослужения.
Среди особо чтимых святынь храма следует отметить древнюю икону святителя Николая Чудотворца, сохранившуюся после пожара первого храма, а также иконы Божией Матери Тихвинской, Страстной и Споручницы грешных, последняя из которых сопровождала ратников в походах 1853-1856 годов. В церковном архиве хранятся исторические документы, включая манифест Императрицы Екатерины II 1787 года и воззвания 1812 года, связанные с Отечественной войной.