Первоначально на этом месте в Стрелецкой слободе находилась деревянная однопрестольная Казанская церковь, освященная 31 августа 1651 года. Не ранее 1708 года при Казанской церкви с восточной стороны построена Никольская церковь, и она становится двухпрестольной. В 1768 году были построены каменные одноэтажная церковь и сторожка. После постройки в непосредственной близости от нее губернаторского дома Никольская церковь стала называться дворцовой. В 1792-1796 годах обветшавшая Казанская церковь была построена вновь как каменная теплая церковь, которая была освящена 9 мая 1796 года.
Здание церкви сочетало в себе элементы русского стиля, закомары, кокошники, шатровые и луковичные главки и формы русского барокко. Это придавало церкви облик «оригинальный», но без «пестроты, с соблюдением строгой соответственности и приличия, красоты и прочности». Автор проекта неизвестен. В 1796-1801 годах была построена заново и холодная Никольская церковь, освященная 25 августа 1801 года. При этом обе части: теплая и холодная существовали как самостоятельные храмы, не имеющие соединительного входа. Теплая, западная, посвящена в честь Казанской иконы Божией Матери, а холодная, восточная — во имя святого Николая Мирликийского. Этим фактом и объясняется давнишнее существование двух названий церкви. 23 августа 1836 года во время своего посещения г. Симбирска Николай в этой церкви слушал Божественную Литургию. 19 августа 1864 года церковь сильно пострадала от пожара и была восстановлена в 1866 году. Во второй половине XIX века неоднократно ремонтировалась и обновлялась, но всегда считалась наиболее красивой церковью в городе. В 1870 году в ней крестили В.И. Ульянова Ленина. 9 мая 1875 года при церкви было учреждено братство святого Николая Чудотворца, которое должно было «способствовать благолепию храма святого Николая Чудотворца и помогать вообще нуждающимся воспитанникам учебных заведений города». Предметом своих попечений братство избрало воспитанников недавно открытой военной гимназии. После постройки в гимназии в 1879 году домовой церкви братство было причислено к этой церкви. На 1882 год церковь занимала 158 кв. саж. Приход этой церкви составлял 1378 чел. на 1916 год. Церковь входила в число охраняемых архитектурных памятников г. Ульяновска.
В апреле 1930 года церковь еще функционировала, относилась к обновленческому течению. В июне 1930 года уже были сняты и изъяты колокола общим весом 237 пудов 20 фунтов. На ее колокольне было 9 колоколов. Главный из них весил 138 пудов. Церковь была закрыта в 1931 году.
