В 1771—1772 годах в Камышине свирепствовала эпидемия чумы. В целях предотвращения распространения болезни городские власти запретили захоронения при городских храмах и выделили участок земли рядом с городом для нового кладбища. На этом участке была построена деревянная церковь, освящённая 22 мая 1775 года во имя святителя Николая Чудотворца.
В 1824—1825 годах деревянный Никольский храм был перестроен в каменный. Новый храм имел тринадцатиметровый купол и крытую галерею, опирающуюся на колонны. Общая площадь составляла около 339 м², что позволяло вместить более 800 верующих. В штате храма состояло три священнослужителя.
В начале XX века было принято решение о реконструкции здания, и был составлен соответствующий проект. Однако из-за начала Первой мировой войны и последующей революции проект не был реализован.
До 1933 года богослужения в Никольском храме продолжались. В 1933 году храм был закрыт, а приход распущен. Здание церкви использовалось под склад, в котором хранилась хлорная известь. Спустя несколько лет была снесена церковная колокольня.
В 1944 году горожане подали ходатайство об открытии храма, и в том же году было получено разрешение. С лета 1944 года началось восстановление храма, и в октябре того же года в отремонтированном здании прошла первая церковная служба. 30 декабря 1944 года церковь была освящена.
В конце XX века был проведён ремонт здания храма. В 1980 году была пристроена трёхъярусная колокольня, а в 1985 году установлены колокола.
В 2000 году Никольская церковь получила статус кафедрального собора. В 2009 году на соборе установили купол высотой 29 метров и позолоченные кресты. Здание было оштукатурено и окрашено. В 2010—2011 годах была построена новая колокольня, на которую в 2011 году водружён благовестный колокол весом 1,2 тонны и несколько колоколов меньшего размера.
