3 июня 1861 года епископ Томский и Енисейский Порфирий (Соколовский) благословил строительство храма в селе Большой Улуй. К 15 января 1862 года основные строительные работы были завершены, а в 1863 году установлен иконостас. 18 июня 1864 года епископ Енисейский и Красноярский Никодим (Казанцев) освятил храм. Первым священником назначен Иннокентий Коновалов.
Первоначально храм представлял собой деревянное одноэтажное здание с одним престолом, посвящённым святителю Николаю Чудотворцу. В 1903 году здание было расширено, что позволило увеличить вместимость и улучшить условия для прихожан. При храме имелась небольшая библиотека.
Согласно «Краткому описанию приходов Енисейской епархии» 1916 года, Больше-Улуйский Николаевский приход был открыт в 1859 году. Причт состоял из священника с окладом в 400 рублей и псаломщика с жалованием в 191 рубль 10 копеек. Причтовые дома были новыми и находились в удовлетворительном состоянии. Население прихода составляло 1303 мужчины и 1426 женщин, все православные, состоящие из старожилов и переселенцев из западных губерний.
В 1936 году, в период антирелигиозной политики советского государства, храм был закрыт и переоборудован под зернохранилище. Богослужения не проводились до 1947 года, когда они были возобновлены. В 1967 году здание храма, располагавшееся в центре села рядом с площадью Революции, было разрушено. Церковное имущество перенесли на улицу МТС, в дом № 7, ранее использовавшийся как общежитие ремонтно-технической станции. В этом здании храм функционирует по настоящее время.
В период с 1967 по 1969 годы были проведены работы по реконструкции нового здания храма: выполнена пристройка и установлены купола. Современный храм представляет собой деревянное одноэтажное здание длиной 20 метров и шириной 6 метров. Отопление печное, освещение электрическое. Внутреннее убранство и оснащение храма позволяют совершать богослужения и выполнять различные требы. В Большеулуйский приход также входит Свято-Казанская молельная комната в посёлке Кытат.
