В 1819 году рабочие Лосиного завода обратились к императору Александру I с просьбой о строительстве собственной церкви. Их ходатайство было удовлетворено, и 22 июня того же года, в день памяти святителя Николая, состоялась закладка храма. Строительство велось по проекту архитектора Овчинникова и завершилось в 1822 году.
Изначально храм представлял собой каменное здание в стиле ампир с центральной частью, увенчанной световой купольной ротондой, и боковыми портиками дорического ордера. Внутреннее пространство было организовано как четырёхстолпный храм с пропорционально выдержанными сводами, лежащими на пилонах.
В период с 1844 по 1854 годы храм подвергся значительным перестройкам. Была сооружена трапезная с приделами в честь великомученика Пантелеимона и преподобного Сергия Радонежского. Кроме того, в 1848 году вместо двухъярусной колокольни была построена четырёхъярусная, оснащённая часовым механизмом, что позволило установить новый колокол весом 400 пудов (около 6,5 тонн).
В 1896 году, после обновления, полное освящение храма совершил святой праведный Иоанн Кронштадтский.
Примечательно, что в советское время, когда многие храмы закрывались или разрушались, Никольский храм в Лосино-Петровском продолжал действовать. Он сохранил своё внутреннее убранство и архитектурные особенности, что делает его уникальным примером храмовой архитектуры того периода.
В настоящее время Никольский храм имеет статус городского собора и является объектом культурного наследия регионального значения. При храме действует духовно-просветительский центр «Сретение», проводятся обучающие семинары, праздничные концерты и организуются паломнические поездки по святыням России.