Николаевская церковь основана в 1788 году. Первоначально она была деревянная; в 1792 году была разобрана и перенесена за город на кладбище, где снова устроена и освящена во имя св. мучеников Флора и Лавра, а на месте её в 1793 году заложена была новая каменная двухэтажная. Через три года после закладки нижний храм был закончен и освящён в честь Св. Николая, архиепископа Мирликийского Чудотворца, а постройка верхнего приведена к концу в 1802 году, когда он и освящён в честь рождества Пресвятой Богородицы.
В 1845 году были заложены как с южной, так и с северной стороны каменные двухэтажные же приделы, причём на южной стороне нижний храм освящён в честь рождества Св. Иоанна Крестителя, верхний в честь Тихвинской иконы Божией Матери, а на северной — нижний в честь Св. Пророка Божия Ильи. Постройка нижнего этажа приделов была закончена в 1848 году, тогда же в них установлены были иконостасы и в 1849 году совершено их освящение; верхний же этаж закончен был в 1852 году, в 1853 году последовало освящение южного придела и в 1854 году — северного.
Теснота храма, особенно нижнего его этажа, очень заметная в большие праздники при большом стечении молящихся, вызвала необходимость расширения его за счёт помещения, занимаемого лестницами, ведущими в верхний этаж. В 1855 году было приступлено к предположенному расширению, колокольня при этом была сломана, для лестниц была сделана новая пристройка, составляющая продолжение приделов к западу, а взамен разобранной колокольни устроена новая, вышиною в 20 саж. В 1895 году лестницы снова были перестроены, для них были сделаны новые пристройки, подобно предыдущим продолженным к западу, сами лестницы заменены каменными, до того времени они были деревянные, а занимаемые ими прежде помещения приспособлены — с южной стороны для архива, ризницы и библиотеки, а с северной,— частью для кладовой, частью для сторожки.
По своему наружному виду Николаевская церковь представляет правильное четырехугольное здание, с несколько выдающимся в виде шестиугольника главным алтарём, увенчанное одним куполом, с довольно высоким на нём фонарём и заканчивающееся колокольнею, в одну линию с которой, на западной стороне, выведены новые пристройки для лестниц. Над главным алтарём устроен такой же фонарь, как и над куполом.
В общем, эта церковь, отличающаяся белизною своих прямых, правильных, почти гладких стен, приятно оттеняемых зеленью окружающих старых берёз и других растений, рассаженных внутри её ограды, производит очень хорошее впечатление, но внутри она как в том, так и в другом этаже недостаточно высока, а в средней главной части нижнего этажа, кроме того, ещё и темна. Лучшей частью её является средний храм в верхнем этаже, особенно в передней половине под куполом. Здесь внимание входящего останавливает на себе иконостас, отличающийся своей оригинальностью: он четырёх ярусов, значительной высоты, весь резной из липового дерева в стиле рококо, не покрыт никакой краской, оставлен без позолоты; стоимость его, не считая икон нижнего яруса, взятых из старого иконостаса, равняется 4900 руб. Иконостас этот поставлен в 1890 году, существовавший же до него, за исключением вышеупомянутых икон нижнего яруса, украшенных серебряными вызолоченными ризами, продан за 500 р. в Челябинский уезд. В главном храме нижнего этажа настоящий иконостас существует с 1863 года; прежний, замененный им, был пожертвован в церковь с. Могильского, входившего, до открытия в нём самостоятельного прихода, в качестве деревни в состав прихода Николаевской церкви. Между иконами Николаевской церкви заслуживает внимания по своей богатой, украшенной бриллиантами, крупными сапфирами и другими драгоценными камнями серебро-позлащенной ризе Тихвинская икона Божией Матери, устроенная Шадринским купцом О.И. Фетисовым в благодарность за чудесное спасение его от потопления в Ладожском озере. Икона помещается в правом заклиросном киоте среднего храма в верхнем этаже, а с прекращением там богослужения на зиму переносится в нижний этаж, где помещается в особом нарочито для того устроенном киоте. В нижнем этаже стены в 1900-1901 годах окрашены заново масляною краской и весьма удачно и умело расписаны священные изображения. Отделка же и украшение стен верхнего этажа нуждается в капитальном ремонте.
Приход Николаевской церкви, как и других городских церквей, не ограничивается какой-нибудь определённой территорией. Напротив, прихожане рассеяны по всем частям и улицам города, что можно объяснить пожарами, бывшими в 70-е годы девятнадцатого века. После которых жители города, поселившись на новых, отведённых им или приобретённых ими усадьбах, вдали от своих приходских церквей, не пожелали переписываться к приходам тех церквей, по близости которых получили себе новые места. Число прихожан Николаевской церкви достигает в городе 1550 д. обоего пола ив двух деревнях 950 д. обоего пола. В пределах прихода две ц.-приходских школы, из которых одна в самом городе помещается в одном из флигелей собственного дома, находящегося у самой церкви, а другая — в д. Погорелка.
К Николаевской церкви приписаны три каменных часовни: из них одна во имя Св. Пророка Божия Ильи находится на площади между городом и земской больницей, другие две в причисленных к приходу деревнях.
Так писалось в 1902 году. А вот как оценивается архитектурная роль Николаевской церкви специалистами-искусствоведами: «Расположенная почти на одной продольной — вдоль берега — линии с собором, Николаевская церковь даёт начало новому ансамблю культовых сооружений города. Архитектура её несёт ярко выраженную классическую направленность и одновременно выполняет ансамблевую функцию, повторяя барочный мотив куполов и своеобразно интерпретируя декор храма».
В восьмидесятых годах XIX века священником Николаевской церкви был известный математик Иван Михеевич Первушин. До сих пор сохранился дом, где он жил с семьёй. Ранее Иван Михеевич служил в Замараевской церкви, но по ходатайству физико-математического отделения Российской Академии наук его перевели в лучшие условия — в Николаевскую церковь. Однако известный мыслитель не поладил со здешним церковным руководством и был переведён в село Мехонское Шадринского уезда. По архивной ведомости 1907 года можно узнать следующее. Настоятелем храма был священник Сергей Валентинович Конев, двадцати семи лет, окончивший Пермскую духовную семинарию по первому разряду. Вторым священником был Павел Александрович Писарев, двадцати трёх лет, также окончивший семинарию по первому разряду. Оба — родом из Верхотурского уезда.
В конце 1920-х годов и начале 1930-х годов в здании храма располагалось общежитие агропедтехникума. В 1940 — 1950-е годы в стенах Николаевской церкви располагался автомеханический техникум, в устроенных мастерских стояли фрезерные и токарные станки.
В 1991 году храм был передан верующим, начались восстановительные работы. 19 декабря 1991 года состоялась первая после закрытия служба во имя Николая-Чудотворца. По Николаевской церкви в городе названы были две улицы — Николаевская, ныне Ленина и Церковная, ныне Р. Люксембург.
