Согласно архивным данным, первая церковь во имя святителя Николая в Бобруйске была основана в 1600 году и располагалась вблизи реки Березина. В 1812 году, в связи со строительством Бобруйской крепости, храм был перенесён на Паричский форштадт. После упразднения форштадта в 1829 году и переселения жителей, в 1835 году в центре города была возведена новая деревянная церковь, получившая статус второго класса. К 1879 году приход насчитывал более 4 тысяч прихожан, включая жителей Бобруйска и окрестных деревень.
В 1892 году было начато строительство нового каменного храма на средства казны и пожертвования прихожан. Строительство завершилось в 1894 году. Архитектурный облик собора выполнен в ретроспективно-русском стиле, характерном для синодального направления. Комплекс состоит из трёхъярусной звонницы-притвора, трапезной, двухъярусного молитвенного зала с боковыми приделами и трёхлопастной апсиды. Силуэт храма формируют пять куполов: центральный и четыре боковых, а также луковичная глава звонницы. Фасады украшены зубчатыми фризами, угловыми лопатками и арочными оконными проёмами. Первоначально стены собора были окрашены в розовый цвет. Внутреннее пространство поддерживается арочной системой и четырьмя массивными пилонами.
В начале XX века к приходу собора относились 11 окрестных деревень, а общее число прихожан превышало 6,5 тысяч человек. При храме действовали церковно-приходские школы, включая одноклассную Бобруйскую и школы на Березинском форштадте и хуторе Луки. В состав причта входили протоиерей, священник, диакон и два псаломщика.
После установления советской власти в 1920-х годах собор был закрыт, а его ценности изъяты. Во время Великой Отечественной войны храм возобновил деятельность. В период оккупации на прилегающей территории было устроено кладбище для захоронения погибших военнослужащих. После войны собор продолжил функционировать до 1964 года, когда был вновь закрыт. В 1967 году здание было переоборудовано под плавательный бассейн, что привело к утрате значительной части архитектурных элементов.
