Храм Николая Чудотворца в городе Буй был возведен в 1913 году на средства, пожертвованные верующими. Первоначально здание проектировалось как часовня, однако впоследствии было решено устроить в нем алтарь и престол. Храм являлся приписным к Свято-Троицкому женскому монастырю, расположенному в селе Сумароково Буйского уезда. В 1914 году настоятельница монастыря игумения Иоанна (Успенская) обратилась с ходатайством к церковным властям с просьбой освятить храм в честь Феодоровской иконы Божией Матери в память 300-летия Дома Романовых, однако в связи с началом Первой мировой войны прошение осталось без рассмотрения.
Здание храма было построено в непосредственной близости от железнодорожного перрона, что являлось его архитектурной особенностью. В 1928–1929 годах, в период антирелигиозных кампаний, храм был закрыт советскими властями. В предвоенные годы здание церкви было объединено со зданием вокзала и использовалось в качестве одного из станционных помещений.
Вопрос о возвращении храма верующим был поднят в 1993 году. Переговоры с государственными инстанциями продолжались несколько лет, и только в октябре 2000 года здание было передано Костромской епархии Русской Православной Церкви. Реставрационные работы начались вскоре после этого, а в мае 2001 года при храме была создана приходская община. Восстановление храма потребовало значительных усилий, так как в годы советской власти он лишился куполов, крестов и внутреннего убранства.
Осенью 2002 года храм был полностью восстановлен в первоначальном виде. 4 ноября того же года состоялось его освящение, которое совершил архиепископ Костромской и Галичский. В 2015 году, к 100-летнему юбилею храма, было проведено его великое освящение.
