Никольский единоверческий храм в Санкт-Петербурге был построен в период с 1820 по 1827 год по проекту архитектора Авраама Ивановича Мельникова. Разрешение на строительство было получено в 1819 году от императора Александра I. Храм возведен на участке, приобретенном купцом К.З. Чурсиновым, и строился на средства единоверческой общины. Основные работы завершились в 1827 году, однако внутренняя отделка и освящение приделов продолжались до 1838 года.
Здание храма выполнено в стиле позднего классицизма (ампира) и имеет крестообразную форму с центральным куполом и четырьмя малыми куполами по бокам. Фасады украшены шестиколонными портиками дорического ордера. Внутреннее пространство оформлено 32 коринфскими колоннами с золочеными капителями. Главный престол освящен в честь Преображения Господня, приделы — во имя святителя Николая Чудотворца, Тихвинской иконы Божией Матери, Сошествия Святого Духа и преподобного Антония Великого.
В 1832 году в ограде храма были построены две часовни в память избавления Санкт-Петербурга от холеры. В 1868 году архитектор М.А. Щурупов пристроил притвор. В 1889 году им же был создан проект придела апостола Иродиона. При храме с 1908 года действовало приходское братство, содержавшее богадельню, реальное училище цесаревича Алексея и женскую гимназию, а также издавался журнал «Голос церкви».
26 мая 1919 года Священный Синод Русской Православной Церкви присвоил храму статус соборного с правами уездных городских соборов. В 1931 году храм был закрыт, а в 1934–1936 годах перестроен под музей Арктики по проекту архитектора А.В. Сивкова. В ходе реконструкции были застеклены лоджии, снесены купола и изменены интерьеры. Музей открылся в 1937 году и позднее был переименован в Музей Арктики и Антарктики.
В 1992 году начались переговоры о возвращении здания верующим. В 1993 году одной из часовен была передана общине, где совершаются богослужения. Переговоры о возвращении основного здания храма продолжаются.