Согласно преданию, основанному на местных легендах, на месте нынешнего собора в прошлом веке произошел случай, который вдохновил на строительство храма. Зажиточный татарин, переплывая реку Томь, едва не утонул. Обратившись с молитвой к «Русскому богу», он пообещал построить церковь в случае спасения. Спасшись, он сдержал свое слово и возвел храм в честь святителя Николая.
Первая деревянная однопрестольная Никольская церковь была построена в 1846 году в селе Усть-Искитимском, ныне известном как город Кемерово. В 1890–1895 годах была возведена вторая церковь, а в 1913 году она была расширена. Однако в 1919 году храм был разрушен красными партизанами. В 1921 году на этом месте прихожане построили новый деревянный Никольский храм, который в 1928 году был заменен на другую деревянную церковь, построенную староцерковной общиной тихоновцев на улице Гончарова. Эта церковь была закрыта в 1939 году.
После Второй мировой войны, 14 мая 1945 года, храм был возвращен верующим. В период с 1970 по 1987 год проводилась масштабная реконструкция здания. Были увеличены его площадь, заменены деревянные стены на кирпичные, а также проведены работы по внутренней отделке. В 1982 году храм был заново освящен архиепископом Новосибирским и Барнаульским Гедеоном. В 1987 году собор получил официальный статус.
Архитектурно собор представляет собой пример традиционного русского зодчества. Внешний облик здания сочетается с элементами, характерными для сибирских храмов, отражая адаптацию архитектуры к местным климатическим условиям. Внутри храма сохранились росписи и иконостас, выполненные с использованием сусального золота, что придает интерьеру особую торжественность.
Собор Николая Чудотворца не только служит местом для проведения богослужений, но и является культурным центром города. При нем функционируют воскресная школа, церковный хор и библиотека с фондом из семи тысяч книг духовного содержания. Ежемесячно проводятся лекции и беседы на религиозные и нравственные темы, способствующие духовному развитию прихожан и горожан.
Собор хранит множество святынь, включая икону «Знамение Божией Матери», мощевик 12 апостолов и частицы мощей различных святых, что привлекает паломников и верующих из разных уголков страны. Особое значение имеет источник святого Пантелеимона в деревне Красной, являющийся объектом почитания и местом для омовения.