Первая деревянная церковь во имя святителя Николая Чудотворца в селе Кананикольском была построена в 1754-1756 годах одновременно с основанием Кананикольского медеплавильного завода. Храм возводился на землях, арендованных у бурзянских башкир тульскими купцами Мосоловыми. Первоначально церковь была освящена как Богородицкая в 1761 году.
В период Крестьянской войны под предводительством Е.И. Пугачёва (1773-1775) первоначальный храм был уничтожен. По сохранившимся сведениям, новая Николаевская церковь была построена в 1796 году. В метрических книгах XVIII века храм упоминается с 1786 года как Николаевская церковь Кананикольского завода.
В 1868 году была проведена масштабная реконструкция храма, в результате которой он приобрёл современные архитектурные черты. Церковь представляла собой одноярусное деревянное строение с двускатной металлической кровлей на высоком бутовом основании. Архитектурное решение включало пятиугольный алтарь, храмовую часть, трапезную и притвор.
В 1930 году храм был закрыт для богослужений. В 1930-х годах здание переоборудовали под клуб: был сделан пристрой и надстроен второй этаж, где разместилась библиотека с читальным залом. Алтарная часть была преобразована в сцену. В 1937 году последний настоятель храма был арестован и впоследствии расстрелян.
С конца 1970-х годов здание пустовало и использовалось как склад для пиломатериалов. В 1994 году храм был выявлен как памятник архитектуры. Богослужения возобновились в 2010 году, сначала проводились в разрушенном здании церкви, затем в молельном доме. В этот же период началось восстановление приходской жизни.