Первое упоминание о Свято-Никольском храме в Калаче-на-Дону относится к довоенному периоду. Деревянный храм, существовавший на тот момент, был уничтожен пожаром. На его месте впоследствии было возведено здание районной филармонии. В послевоенные годы верующие под руководством духовенства начали сбор средств для строительства нового храма.
В 1946 году общиной был приобретен земельный участок, где был построен молитвенный дом. Это здание оставалось единственным православным храмом в городе до 1999 года. В ноябре 1999 года молитвенный дом вновь пострадал от пожара, вызванного неисправностью электропроводки, что привело к утрате церковной утвари и имущества.
Строительство нового каменного храма началось в 1990 году. Закладной камень был освящен архиереем Волгоградской епархии. В период с 2007 по 2011 годы были завершены работы по внутренней отделке храма, установлен новый иконостас, построены боковые ступени. Торжественное великое освящение храма состоялось в апреле 2011 года.
В 2014 году храму был присвоен статус кафедрального собора. Архитектурный облик здания соответствует традициям русского церковного зодчества. Храм имеет три престола, главный из которых освящен в честь святителя Николая Чудотворца. Престольные праздники отмечаются 22 мая (перенесение мощей) и 19 декабря.
Богослужения в соборе совершаются на церковнославянском языке. При храме действует церковная лавка. Собор является центром духовной жизни города и кафедрой правящего архиерея местной епархии.