Свято-Никольский собор в городе Верхнеуральске был построен в 1875 году на средства верхнеуральского купца первой гильдии Николая Петровича Рытова. Освящение храма состоялось 5 мая 1875 года. Собор возведен по одному из образцовых проектов альбома архитектора Константина Тона, автора Храма Христа Спасителя в Москве, в русско-византийском стиле.
В 1891 году храм посетил наследник престола Цесаревич Николай Александрович, будущий император Николай II. В память о его спасении во время инцидента в японском городе Отсу в 1897 году был освящен северный престол во имя Покрова Пресвятой Богородицы. Южный престол посвящен священномученику Петру, митрополиту Крутицкому.
В начале XX века в соборе служил дьякон Виктор Евграфович Святин, скончавшийся в 1919 году от сыпного тифа после посещения больных в тюрьме. Его сын, митрополит Краснодарский Виктор (в миру Леонид Викторович Святин), также бывал в этом храме.
В период революционных событий 1918 года настоятель собора священник Михаил Громогласов был арестован и впоследствии канонизирован Русской Православной Церковью Заграницей как священномученик. В советский период храм оставался единственной действующей церковью в городе из семи ранее существовавших.
Архитектурный ансамбль собора включает в себя захоронение его основателя Н.П. Рытова, что является редким случаем для уральских храмов. В 2018 году при ремонтных работах в подвальном помещении был обнаружен замурованный склеп с останками, предположительно относящимися к началу XX века.
