Из писцовых книг Казани и Казанского уезда известно, что в 1565 году на месте Никольского собора действовала деревянная церковь Святого Николая Чудотворца, именуемая «церковью Николы Боровского».
Позднее, в конце XVII века вместо деревянной церкви был выстроен бесстолпный одноглавый каменный храм, двухпрестольная Николо-Низская церковь с приделом в честь Рождества Христова и небольшим престолом во имя Иоанна Воина в колокольне.
Возможно, что примерно тогда же была возведена летняя Покровская церковь, представляющая собой каменный шестистолпный трёхапсидный храм. Сведения о её возникновении противоречивы, даты, указанные на антиминсе, 1696 год и в клировых ведомостях, 1703 год, могут относиться как к обновлению уже существовавшего храма, так и ко времени его постройки.
В 1720-х — 1730-х годах у Покровской церкви была построена пятиярусная колокольня.
В 1834—1871 годах в приходе Николо-Низской церкви служил священник Михаил Павлович Полетаев, сын священника этой же церкви, выпускник Казанской духовной семинарии 1834 года. При нём в 1857—1862 годах был выстроен двухэтажный каменный дом причта.
Постройки и перестройки храма производились на средства прихожан, а Николо-Низский приход был одним из самых малолюдных в Казани, основную массу прихожан составляли люди низкого достатка. Однако, благодаря инициативе приходского священника, уважаемого среди казанских православных христиан Николая Максимовича Варушкина, служившего здесь в 1871—1903 годах, нашлись благотворители, пожертвовавшие деньги на обновление обветшалого храма. Основные средства на постройку нового здания Николо-Низской церкви предоставили члены строительного комитета купцы Павел Васильевич Щетинкин, Василий Иванович Заусайлов, Александр Никифорович Свешников и Григорий Николаевич Горинов, их имена увековечены в мемориальной доске на стене храма. Только Г. Н. Горинов был прихожанином и старостой этой церкви, все остальные жертвователи жили в других приходах.
В 1883 году старая тёплая Николо-Низская церковь была разобрана, и через два года, в 1885 году, выстроено новое здание, бесстолпный одноглавый одноапсидный храм в эклектичном стиле с элементами классицизма.
В 1892 году была обновлена холодная Покровская церковь. Считается, что именно тогда, после частичной перестройки, она стала пятиглавой.
В 1930 году, ввиду антирелигиозной государственной политики, Николо-Низская церковь была закрыта. Ко времени возрождения Казанской епархии в 1942 году единственным действующим храмом Казани была кладбищенская церковь Ярославских Чудотворцев на Арском кладбище.
При архиепископе Гермогене Кожине, в октябре 1946 году, в Казани зарегистрировали вторую православную религиозную общину, которой передали Николо-Низскую и Покровскую церковь. Она получила статус Никольского кафедрального собора. Приставной престол собора для совершения ранних литургий освящён в честь 40 севастийских мучеников.
