Она была возведена в 1867 году по инициативе и на средства купца Ивана Ивановича Эльтекова, занимавшего в то время должность старосты Спасо-Преображенского собора. Строительство часовни было осуществлено в память о чудесном спасении императора Александра II от покушения, произошедшего 4 апреля 1866 года.
Архитектурный проект часовни разработал ярославский губернский инженер-архитектор Иоасаф Филиппович Яровицкий. Здание выполнено в эклектичном стиле с элементами русского зодчества. Фасады украшены изразцами и лепными орнаментами; над окнами расположены лепные изображения херувимов. Часовня увенчана шестигранным шатром с небольшой луковичной главкой.
В советский период, начиная с 1927 года, часовня была закрыта и использовалась для различных хозяйственных нужд. В ходе перестроек был снесён купол, а здание надстроено вторым этажом. В разные годы в помещении часовни размещались библиотека речного порта и линейное отделение милиции.
Реставрационные работы по восстановлению первоначального облика часовни начались в 2010 году. В процессе реставрации были восстановлены архитектурные элементы, включая установку главного креста и двенадцати малых крестов на главках купола, отлитых и покрытых сусальным золотом по технологиям XIX века. Полностью восстановлена внутренняя отделка и настенная роспись. 3 сентября 2011 года состоялось торжественное открытие и освящение восстановленной Никольской часовни, после чего она была передана в пользование общине Спасо-Преображенского собора.
