В начале XIX века в городе Сердоболь (ныне Сортавала) функционировали две деревянные православные церкви: во имя Святого Николая Чудотворца и во имя Святых первоверховных апостолов Петра и Павла. К середине XIX века Петропавловский храм, построенный в 1785 году, пришёл в ветхость, что вызвало необходимость возведения нового каменного храма для обеспечения духовного окормления местного населения.
В 1869 году петербургский купец Григорий Елисеев пожертвовал значительную сумму на строительство новой церкви. Проект храма был разработан архитектором Николаем Павловичем Гребёнкой и утверждён 6 ноября 1869 года. Строительство началось в 1870 году и завершилось в 1873 году. Новый храм был построен в крестово-купольном стиле с большим центральным куполом и четырьмя малыми главками. Здание имело высокий цоколь из крупных гранитных блоков, добытых в каменоломнях острова Риеккалансаари на Ладожском озере. Главный иконостас был двухъярусным, а в боковых приделах — одноярусным. Иконы для храма были написаны художником П. С. Шильцовым.
Первоначально храм был освящён во имя Святых апостолов Петра и Павла и имел три престола: главный — во имя Петра и Павла, правый — во имя Успения Анны, левый — во имя преподобных Сергия и Германа, Валаамских чудотворцев. Предел во имя Успения Анны был освящён митрополитом Санкт-Петербургским и Новгородским Исидором 15 октября 1872 года.
В 1913 году, после учреждения Сердобольского викариатства Финляндской епархии, храм получил статус собора и стал кафедральным для викарного епископа. С 1918 года, после провозглашения независимости Финляндии, собор перешёл в юрисдикцию Финской православной церкви.
В результате советско-финской войны 1939—1940 годов территория, на которой находился храм, отошла к СССР, и храм прекратил свою деятельность. После возвращения финских властей здание было повторно освящено. В период Великой Отечественной войны собор уцелел, однако были утрачены колокола, вывезенные в Финляндию; самый большой из них весил 1000 кг.
После окончания войны город Сортавала вошёл в состав Олонецкой епархии. 18 июля 1947 года главный престол был освящён во имя Святителя Николая Чудотворца митрополитом Нектарием. С этого времени храм носит имя Святителя Николая. В 1949 году храм вошёл в состав Ленинградской и Ладожской епархии. С 1960-х по 1980-е годы он оставался одним из четырёх действующих храмов в Карельской АССР.
