Строительство храма началось в 1784 году и завершилось в 1790 году. Он был возведен в неоготическом стиле как Успенская соборная часовня для старообрядческой общины федосеевского толка. Архитектором проекта был Федор Соколов. Церковь представляла собой каменное одноглавое сооружение с невысокой колокольней над западной папертью. Внутри храма находилось множество древних икон новгородского, корсунского, строгановского, московского и других писем, оцениваемых в десятки тысяч рублей.
В 1854 году, в период правления императора Николая I, старообрядческая община на Преображенском кладбище столкнулась с обвинениями в государственной измене. В ответ на это, часть общины, включая семьи Гучковых, Носовых, Гусаревых, Бавыкину, Осипова и других, выразила желание присоединиться к единоверию. В результате, в 1854 году в трапезной части храма был освящен придел в честь святителя Николая Чудотворца. Освящение совершил митрополит Филарет Московский. Этот день считается днем основания храма святителя Николая Чудотворца на Преображенском кладбище.
В 1866 году на территории храма был основан Никольский единоверческий монастырь. Кроме храма Святителя Николая, к монастырским постройкам относились храм Воздвижения Креста Господня, колокольня (1876—1879 годы, архитектор Максим Геппенер) и корпуса келий (1801 год). Колокольня, выполненная в готическом стиле, получила в народе прозвище «Преображенская свеча». Она была построена на средства благотворителей, главным образом Алексея Ивановича Хлудова и Ивана Васильевича Носова.
После революции 1917 года монастырь был закрыт, а его здания использовались для различных нужд. Храм и прилегающие постройки были преобразованы в общежитие завода Радио, а в 1930-х годах большая часть стен монастыря была разрушена. В 1920-е годы храм был разделен на две части: восточная часть (Успенская) использовалась старообрядцами беспоповского согласия, а западная (Никольская) — обновленцами. В 1990 году на дверях старообрядческой части было размещено объявление, регламентирующее порядок входа и поведения в храме.
В 1960-е годы колокольня находилась в плачевном состоянии: крыша провалилась, внешний вид был загрязнен. В конце 1970-х годов были проведены ремонтные работы, восстановлены кресты на куполах. В 2013 году на колокольню были установлены девять новых колоколов, отлитых на Урале; самый большой из них весил 700 кг. Освящение колоколов состоялось 28 июля 2013 года.
