В 1870 году верхнеуральский купец первой гильдии Николай Петрович Рытов принял решение о строительстве нового храма для города. Строительство было завершено в 1875 году, и 5 мая того же года церковь была освящена во имя святителя Николая Чудотворца. В народе храм получил название «Рытовская церковь» в честь своего благотворителя.
Архитектурный проект собора был разработан по образцовому проекту, опубликованному в 1838 году в альбоме «Проекты церквей» архитектора Константина Тона. Храм представляет собой уменьшенную копию московского Храма Христа Спасителя, выполненную в русско-византийском стиле. Здание увенчано пятью куполами, а колокольня первоначально имела шатровое завершение, впоследствии заменённое на купольное.
В 1891 году наследник престола, цесаревич Николай Александрович, будущий император Николай II, посетил Верхнеуральск и присутствовал на богослужении в Свято-Никольском соборе. В память об этом событии в храме был устроен северный придел во имя Покрова Пресвятой Богородицы, освящённый 18 ноября 1897 года.
В советский период, в 1930-х годах, собор был закрыт, и его здание использовалось под зерновой склад. В 1942 году, в период Великой Отечественной войны, храм был вновь открыт для богослужений и с тех пор продолжает функционировать.
