Никольский храм был основан в 1883 году. 4 мая 1886 года собор освятил Преосвященный Вениамин II Смирнов, епископ Оренбургский и Уральский. Причиной закладки кирпичного здания храма был пожар деревянных построек казачей станицы с ее фортом, крепостью, отсюда название региона «Форштадт». Вот в это тяжелое время и возникла мысль постройки. Инициатива принадлежала казакам Оренбургской станицы во главе с попечителем и подрядчиком Е.Г. Колокольцевым. Спланирована инженер-капитаном В.П. Сахаровым.
Церковь была заложена в 1883 году на средства прихожан и освящена 4 мая 1886 года Преосвященным Вениамином II, епископом Оренбургским и Уральским. Сначала она была однопрестольная, во имя святителя и Чудотворца Николая, а с 1910 года числится как трехпрестольная в честь Успения Божией Матери и св. великомученика Пантелеимона.
В 1936 году Никольский храм был закрыт, и все святыни были из него вынесены. Здание храма было использовано для различных мирских бытовых нужд. Вначале в нем разместили общежитие, а после 1942 года – эвакуированные из Москвы и Ленинграда архивы наркомата внутренних дел. 12 апреля 1944 года храм был вновь открыт. С 1955 года по 1958 год храм был заново расписан талантливым местным художником Владимиром Рублевым. В 1968 году освящен четвертый предел в честь Всех святых.
С 1000-летия Крещения Руси наступило благоприятное время для Православной Церкви, в Никольском соборе по благословению митрополита Леонтия развернулось большое строительство. В 1988-1990 годах построен новый купол вместо старого деревянного, который дал наклон. В 1991 году начато строительство нового придела Всех святых. В 1992 году придел был освящен. В 1991 году произведена позолота креста и луковицы нового купола. В 1992 году в храме были проведены реставрационные работы. На очереди была колокольня, оказавшаяся после произведенных перестроек несоразмерно маленькой. В 1994 году, силами местных строителей во главе с В.М. Коноваловым по проекту Н.А. Быковской, на первом ярусе старой колокольни была надстроена новая высокая колокольня, поднявшаяся на 7 м и гармонично вписавшаяся в окружающую застройку. В 1995 году на восточной стороне храмовой территории была возведена водосвятная часовня. В 1994-1995 годах произведена позолота всех 3-х иконостасов, расписан купол и расписаны три алтаря, произведена реставрация стенной живописи алтарей и всего храма. В 1997-1998 годах построено церковное административное здание, где расположились трапезная, епархиальная типография, воскресная школа, бухгалтерия, библиотека, гостиница для ставленников и для священнослужителей. В 2007 году введен в действие новый храм крестильня. В 2009 году построена новая церковная лавка на территории собора.
