Храм Николая Чудотворца в Ишиме был возведен в период с 1886 по 1891 год на средства, завещанные купцом первой гильдии Николаем Максимовичем Черняковским. Строительство осуществлялось под руководством комитета, возглавляемого протоиереем Алексием Федюшиным, настоятелем Богоявленского собора. Храм был приписан к Ишимскому духовному училищу. Главный престол освящен 26 ноября 1892 года во имя святителя Николая Чудотворца. В южной части храма на средства купца Александра Порфирьевича Кутырёва устроен придел во имя святого благоверного князя Александра Невского.
Архитектура храма выполнена в русско-византийском стиле. Здание представляет собой крестово-купольный храм с пятью главами. Фасады украшены элементами древнерусского зодчества: кокошниками, колонками и килевидными завершениями. Над входами расположены группы из трех равноконечных георгиевских крестов. Интерьер включал мраморные полы и настенные росписи с библейскими сюжетами.
В 1920-е годы храм перешел к обновленцам и стал кафедральным собором Ишимской обновленческой епархии. В ночь с 23 на 24 июня 1937 года духовенство храма было арестовано. Формально храм не закрывали до 9 марта 1940 года, когда исполком Ишимского горсовета постановил передать здание под клуб. 19 июня 1944 года храм возвращен верующим в разоренном состоянии: отсутствовали иконостас, иконы, книги и церковная утварь. Освящение восстановленного храма состоялось 17 декабря 1944 года.
С 1947 года храм являлся центром Ишимского благочиния Омско-Тюменской епархии. В 1960-1980-х годах проведены работы по росписи стен, установке нового иконостаса и благоустройству территории. В 2003 году при храме открыта церковно-приходская школа имени святого Василия Мангазейского. 27 января 2014 года храму присвоен статус кафедрального собора Ишимской епархии.
