История собора восходит к началу XIX века. Строительство каменного трёхпрестольного храма началось в 1807 году на месте ранее существовавшей деревянной церкви, датируемой серединой XVII века. Главный престол был освящён в честь святителя Николая Чудотворца в 1813 году. Приделы собора посвящены Смоленской иконе Божией Матери и преподобному Феодосию Тотемскому. Финансирование строительства осуществлялось частично за счёт казны, однако основную часть средств предоставил отставной унтер-офицер Матвей Дмитриевич Ситников, который, следуя обету, обошёл пешком всю Россию, собирая пожертвования на возведение храма.
Архитектурно собор выполнен в стиле ампир. Здание имеет оригинальную объёмно-планировочную композицию: центральный неф вместе с апсидой вынесен вперёд. Входы с западного, южного и северного фасадов украшены портиками дорического ордера. Центральный объём увенчан цилиндром большого диаметра с двумя рядами проёмов, перекрытым полусферическим куполом с главкой на глухом барабане. Трапезная представляет собой одноярусное продолговатое сооружение с пятью высокими прямоугольными оконными проёмами. Первоначально собор имел высокую пятиярусную колокольню, которая была утрачена в советский период.
В 1878 году собор серьёзно пострадал от пожара. В период с 1880 по 1890 годы здание было реконструировано на средства елабужского купца и крупного помещика Мензелинского уезда Ивана Григорьевича Стахеева. В ходе реконструкции были восстановлены повреждённые элементы и обновлено внутреннее убранство храма.
В советский период собор подвергся значительным изменениям. 29 апреля 1938 года храм был закрыт, а его здание передано различным учреждениям: первоначально сельскохозяйственному техникуму, затем в 1940 году — под кинотеатр, а в 1954 году — Мельничному управлению. В этот период была разрушена колокольня, а само здание претерпело значительные изменения, связанные с его адаптацией под новые функции.
В 1990-х годах здание собора было возвращено Русской Православной Церкви. Были проведены ремонтно-реставрационные работы, направленные на восстановление первоначального облика храма. В частности, были восстановлены купол и фасады, обновлено внутреннее убранство. Колокольня, однако, не была восстановлена.
