В 1528 году, по указу великого князя Московского Василия III, на месте деревянной церкви был заложен каменный Никольский собор. Строительство продолжалось до 1531 года. Собор стал частью Зарайского кремля, укреплённого комплекса, предназначенного для защиты южных рубежей Московского государства от крымских татар.
Архитектура собора отражает традиции русской церковной архитектуры XVI века. Он представляет собой пятиглавое здание с приделами, выполненное из кирпича. В конце XIX века к собору были пристроены паперть и колокольня, что придало ему более выразительный облик.
В советский период, начиная с 1922 года, собор был закрыт и использовался для различных хозяйственных нужд. В здании размещались мастерские и склады, что привело к утрате части внутреннего убранства и икон. Лишь в 1992 году, после длительного перерыва, собор был возвращён верующим.
Восстановительные работы начались в 1990-е годы и продолжаются по сей день. Были проведены реставрационные работы, направленные на сохранение и восстановление исторического облика собора. Внутри храма были восстановлены иконостас и настенная живопись, утраченные в советский период.
