Первая деревянная однопрестольная Никольская церковь в селе Усть-Искитимском (ныне г. Кемерово) была построена в 1846 году. В 1890-1895 годах возведена вторая церковь, которая в 1913 году подверглась расширению. Приход на 1914 год включал село Усть-Искитимское и 12 окрестных деревень с общим числом прихожан 5467 человек, включая 274 старообрядцев. Земельный надел составлял 66 десятин. В приходе действовали три молитвенных дома, училище Министерства народного просвещения и церковная библиотека.
В конце 1919 года каменная Никольская церковь была разрушена красными партизанами. В 1921 году прихожане построили новый деревянный храм на прежнем месте. В 1928 году староцерковной общиной тихоновцев на улице Гончарова была возведена другая деревянная Никольская церковь, закрытая властями в 1939 году. Здание обновленческой церкви с 1935 года использовалось как зерносклад, а община прекратила существование в 1938 году.
14 мая 1945 года здание церкви было возвращено верующим в бессрочное и бесплатное пользование. После закрытия в 1961 году Знаменской церкви Никольский храм стал главным храмом Кемеровского благочиния, оставаясь единственным православным храмом города на протяжении многих лет. В 1970 году началась реконструкция: деревянные стены частично заменены кирпичными, увеличена площадь храма. В 1980 году построен каменный крестильный храм в честь Рождества Пресвятой Богородицы.
В 1982 году проведена вторая реконструкция: все деревянные конструкции заменены кирпичными, сооружены восьмигранный купол и колокольня, перестроен алтарь. 12 декабря 1987 года указом Патриарха Пимена храму присвоен статус собора. В 1994 году построено двухэтажное здание воскресной школы, где временно размещались епархиальное управление и церковная библиотека. В 1995 году проведены работы по покраске стен, реставрации росписей и замене полов.
Собор обладает рядом святынь: иконой «Знамение Божией Матери», мощевиком с частицами мощей 12 апостолов, а также святителей Иоанна Тобольского, Филарета Московского, Григория Богослова, Тихона Московского и других угодников Божиих. В 2008 году в собор были переданы мощи святителя Николая Чудотворца, пожертвованные итальянскими католиками из Венеции.