Первоначально на этом месте находилась деревянная церковь, построенная около 1593 года, предположительно одновременно с учреждением стрелецкой слободы. В XVII веке стрелецким полком, расквартированным в этой слободе, командовал Богдан Пыжов, чья фамилия дала название как храму, так и прилегающему Пыжевскому переулку.
В 1657 году, по инициативе стрельцов, началось строительство каменного храма, завершившееся в 1672 году. Новый храм был посвящен святителю Николаю Чудотворцу, и его архитектура отражала традиции русского узорочья.
В 1691 году к основному объему храма были пристроены приделы, посвященные Антонию и Феодосию Печерским, а также святителю Николаю. Постепенно имя святителя Николая стало основным в названии храма.
Во время Отечественной войны 1812 года храм был разграблен и поврежден. Восстановительные работы начались в 1848 году на средства купцов Ляминых, которые внесли значительный вклад в обновление храма и его убранства.
В 1886 году при храме была открыта церковно-приходская школа, ставшая важным духовно-просветительским центром. В 1894 году, на средства, завещанные купцом Петром Николаевичем Рахманиным, было построено каменное двухэтажное здание школы по проекту архитектора А.А. Никифорова.
В 1922 году, в ходе кампании по изъятию церковных ценностей, из храма было изъято более двадцати пудов золотых и серебряных изделий. В 1934 году храм был закрыт, его здание использовалось под различные нужды, включая общежитие и швейные мастерские.
В 1990 году храм был возвращен Русской Православной Церкви, и в 1991 году в нем возобновились богослужения. В настоящее время храм является действующим, в нем хранятся святыни, включая крест-мощевик с частицами мощей семидесяти двух святых.
Архитектурно храм представляет собой пятиглавый бесстолпный храм с развитым антаблементом и ярусами кокошников, богато декорированный кирпичными деталями. Стройная шатровая колокольня с декорированной аркой входа является одним из лучших образцов этого типа сооружений в московском зодчестве.
