История храма восходит к середине XVII века, когда в Елабуге существовала деревянная церковь, посвящённая Святителю Николаю. В XVIII веке на её месте была возведена каменная церковь, а рядом — деревянная тёплая Богоявленская церковь. К началу XIX века оба храма обветшали, и в период с 1808 по 1818 годы на средства прихожан был построен однопрестольный каменный храм. В 1848–1852 годах, на пожертвования купца Алексея Ивановича Стахеева, церковь была перестроена под наблюдением инженера Олехновича, став двухэтажной и трёхпрестольной. Главный престол, расположенный на верхнем этаже, был освящён в честь Святителя Николая, а на нижнем этаже были устроены тёплые приделы во имя Анастасии Узорешительницы, Иоанна Богослова и Рождества Христова.
Архитектурно храм представляет собой двухэтажное бесстолпное здание, перекрытое куполом на светлом барабане. К нему примыкают трапезная, притвор и колокольня, скомпонованные в общих линиях фасадов. Строение нетрадиционной композиции, не имеет выступающей апсиды и по композиционному решению напоминает гражданское сооружение. Алтарь церкви имеет прямоугольную форму, что не характерно для русских храмов середины XIX века. Купол храма один, его видно издалека. Рядом возвышается колокольня, а к храму пристроена небольшая трапезная.
Как и другие храмы Елабуги, Никольская церковь была богато украшена за счёт пожертвований прихожан, преимущественно состоятельных купцов. В 1870-е годы в росписи церкви принимал участие художник Василий Васильевич Верещагин; значительная часть этих росписей сохранилась. В храме находилась икона Святителя Николая, обретённая в местности Святая Чаша близ Мамадыша в первой половине XVIII века. С этой реликвией ежегодно совершались крестные ходы в Мамадыш, собирая большое количество богомольцев.
Причт Никольской церкви не получал жалования, но существовал за счёт доходов от треб, заказных молебнов перед иконой Святого Николая и процентов с капитала. В начале XX века храму принадлежало более 20 000 рублей. Семьи причта проживали в доме, построенном в середине XIX века, расположенном по адресу: улица Гоголя, дом 6.
В период с 1814 по 1844 годы настоятелем храма был протоиерей Максим Иванович Замятнин (1764–1844), выпускник Казанской духовной семинарии. Он пользовался большой популярностью в городе, славился честностью, аскетизмом и благотворительностью.
В советское время церковь была закрыта. Однако разрушений местные жители не допустили, и здание не было разобрано. Некоторое время в нём размещались учебные аудитории НКВД, библиотека и другие учреждения.
