Ансамбль Шартомского монастыря сформировался в целом в границах второй половины XVII века и первой половины XIX века. Никольский собор является самым древним строением монастыря и центром всего его архитектурного ансамбля. В челобитной Алексею Михайловичу архимандрит Иоасиф рассказывает, как монастырский мирской староста, который собирал деньги у народа на нужды монастыря, после пожара 1649 года был убит и ограблен «Иваном Ахметевым». Данная челобитная указывает на то, что средства на монастырские постройки в середине XVII века были в основном собраны с крестьян монастырских вотчин. В виду отсутствия ответа от царя, средства были вновь собраны с крестьян, так как уже в 1651 году новый каменный собор был освещён по благословению архиепископа Суздальского и Торусского Серапиона. Нельзя с уверенностью говорить, что в названном году было завершено строительство собора, так как данная дата взята с водружального креста, который мог быть освещён ранее или во время воздвижения самого храма. Поэтому, несмотря на принятую дату основания, 1651 год, возможно, монастырь был достроен только ко второй половине 1650-х годов.
Никольский собор разделил судьбу Шартомского монастыря, упадок конца XVIII века, когда монастырь потерял все свои владения, расцвет второй половины XIX века и разруху XX века.
Никольский собор является четырёхстолпным храмом с четырьмя луковичными главами зелёного цвета и одним куполом золотого цвета. Кровля предположительно с момента постройки была четырёхскатной, однако в целом архитектура собора консервативна. Фундаменты сложены из валунов, гранита и частично из белого камня. Стены храма снаружи покрыты побелкой по кирпичу. Внешнее деление стен лопатками на прясла продолжается внутренним строением собора. Центральный купол храма находится восточнее обычного, вследствие чего столбы также смещены к востоку. Соответственно, западное прясло самое широкое, среднее уже, а восточное самое узкое. Примечательно, что данная асимметрия построена на принципе золотого сечения. Трёхапсидный алтарь вдвое ниже четверика храма, что придаёт ему его суровый вид. Окна собора, длинные и узкие, расположены в два яруса. Окна нижнего яруса имеют наличники с килевидным завершением, а окна второго яруса устроены без архитектурных обрамлений. Можно заметить также, что среднее окно, окно алтаря, единственное растёсанное и что южная апсида выступает чуть более северной.
Внутри храм имеет оштукатуренные стены с сохранившимися остатками темперной живописи, относящейся к началу XIX века. К моменту передачи монастыря Церкви внутреннее убранство Никольского собора было почти полностью уничтожено. «Памятники Отечества» пишут, «На внутренних стенах собора, сводах и гранях пилонов местами сохранилась штукатурка с остатками фресок». Три перспективных портала состоят из чередующихся четвертей и полуовалов. Северный портал украшен резными из белого камня «дыньками» и напоминает порталы Владимиро-Суздальского зодчества XII—XIII веков. Цоколь декорирован поребриком. Примечательно наличие в храме старинных икон. У левого клироса помещены Тихвинская и Шуйская-Смоленская иконы Божией Матери, а у правого нерукотворный образ Спасителя очень выразительного письма. Судя по их размеру, эти иконы когда-то могли находиться на иконостасе в каком-нибудь другом местном храме.
