Храм, именуемый «Никола чюдотворец Гостин», существовал, согласно писцовым книгам, уже в 1565 году. Находившаяся при Гостином дворе, «на торгу», церковь была освящена в честь покровителя торговцев Святителя и Чудотворца Николая Угодника. Точное время постройки каменного храма неизвестно, но архитектурные формы позволяют утверждать, что это произошло в XVI веке.
Писцовые книги свидетельствуют, «Церковь Никола чюдотворец Гостин ружная позади рыбного ряду, поставление и все церковное строение попа Григорья да мирское. А у церкви во дворе поп Григореи, во дворе дьякон Петр Исаков сын, что был Русиновскои двор Русанова ярославца на посадском месте. В келье понамарь, в келье проскурница. Да две кельи, а в них живут нищие старцы, питаютца от церкви Божии. А государева жалованья годовые руги попу четыре рубли денег да хлеба четыре четверти с осминою ржи, да четыре четверти с осминою овса в болшую меру. Да церковные руги за воск и за ладон, и за темьян, и за вино церковное четырнатцеть алтын без дву денег. Да пономарю полтина денег да две чети с полуосминою ржи, да две чети с полуосминою овса в болшую меру. От Николы чюдотворца позади Гостина двора в переулке дворы по обе стороны».
Священником в церкви служил будущий патриарх Московский и всея Руси Гермоген, с именем которого связано обретение в 1579 году чудотворной Казанской иконы Божией Матери.
В 1594 году митрополит Казанский и Астраханский Гермоген писал в «Повести о явлении и чудесах Казанской иконы Богородицы», «Я же тогда служил в чине священника у святого Николы, именуемого Гостиным, и сколь ни был каменносердечен, но все же прослезился, и припал к образу Богородицы, и к Превечному Младенцу Спасителю Христу, и к самой чудотворной иконе, а потом поклонился архиепископу и испросил его благословения, да повелит мне взять пречудную икону Богородицы. Архиепископ же благословил меня и повелел мне взять икону».
В начале XVII века к храму был пристроен придел в честь Казанской иконы Божией Матери. В 1634 году рядом с тёплой Николо-Гостинодворской церковью возвели холодную Преображенскую церковь.
В настоящее время здание бывшей Николо-Гостинодворской церкви лишено обоих шатров и глубоко ушло в землю.
До 2017 года в нём располагались архивные службы, в том числе аппарат Главного архивного управления при Кабинете министров Республики Татарстан, с 31 мая 2016 года — Государственного комитета Республики Татарстан по архивному делу.
30 августа 2017 года зарегистрирован «Фонд возрождения храма Николы Гостинодворского», учредителем которого выступила Казанская епархия РПЦ.
