История храма восходит к началу XVII века, когда в Напрасной слободе была построена деревянная церковь в честь святого Димитрия Углицкого. В этом храме находилась почитаемая икона святителя Николая, которая, согласно преданию, была единственной уцелевшей после пожара 1703 года. На месте сгоревшего храма в 1712–1720 годах была возведена каменная церковь в честь святителя Николая Чудотворца, ставшая третьей по времени строительства каменной церковью в Воронеже после монастырских храмов.
В 1748 году пожар вновь повредил храм, уничтожив кровлю купола и трапезной, а также внутреннее убранство. Восстановительные работы были проведены оперативно, и уже в 1749 году был освящен придельный алтарь во имя великомученика Димитрия Солунского. В 1768 году вокруг храма была возведена каменная ограда. В 1788 году обновлен иконостас главного храма, а в 1816–1819 годах аналогичные работы проведены в Димитриевском приделе.
В 1831 году купец Алексей Самуилович Мещеряков устроил в храме придел в честь святителя Алексия, митрополита Московского. В 1836 году на средства купцов Лялиных был сооружен придел в честь Толгской иконы Божией Матери, размещенный на месте прежнего Димитриевского придела, который был перенесен влево. В 1839 году обновлен главный иконостас, а в 1864 году переписана настенная живопись. Последний перед революцией ремонт проведен в 1900 году, включая установку водяного отопления.
В 1920-х годах храм стал оплотом обновленческого движения. В 1930-х годах ряд священнослужителей был репрессирован, и в 1940 году храм был закрыт. Во время Великой Отечественной войны, в феврале 1942 года, храм был возвращен верующим. В период оккупации правого берега Воронежа с июля 1942 по январь 1943 года храм не действовал. При освобождении города были разрушены два яруса колокольни, сгорела кровля трапезной и покрытие купола. Богослужения возобновились в середине 1943 года.
С 1944 по 1949 год Свято-Никольский храм был единственным действующим в городе и стал кафедральным собором. В этот период при храме было образовано епархиальное управление и создана канцелярия. В 1945 году начался ремонт храма, включая установку колоколов на колокольне. В 1946 году при епархиальном управлении открыта библиотека, а в 1947 году из краеведческого музея в храм передана богослужебная утварь и иконы.
В 1988 году, в год тысячелетия Крещения Руси, храм был заново расписан внутри, при этом сохранились иконы XIX века. В 1996 году художником К. Д. Ясиновским исполнена мозаичная надвратная икона, а в 2005 году на колокольне появилась мозаичная икона святителя Николая работы художника Чурюмова. В 1990-х годах в ограде храма был сооружен церковный дом, в котором в 2001 году открыт крестильный храм в честь Толгской иконы Божией Матери.
В 2016 году началась масштабная реконструкция храма, включающая реставрацию алтаря, установку системы отопления, подключение водоснабжения, обновление полов, установку сигнализации и видеонаблюдения, укрепление стен и обновление орнаментов. Капитальные работы планировалось завершить к 300-летию храма в 2020 году.
В настоящее время храм является действующим приходом Воронежской епархии Русской Православной Церкви. Он выполняет функции духовного центра для жителей района, предоставляя возможность участия в богослужениях, таинствах и церковных праздниках.
При храме функционирует воскресная школа, где осуществляется обучение основам православной веры. Проводятся занятия для детей и взрослых, направленные на духовное просвещение и укрепление религиозных знаний.
