Первые упоминания о Никольском соборе значатся в Мосальской церковной десятине 1628 года. Там он описан как небольшой деревянный храм с двумя приделами: Грузинской иконы Божьей Матери и апостолов Петра и Павла. Расположен он был внутри города (внутри крепостной стены на горе, позже ставшей известной как Пятницкая).
Регулярный план 1779 года, помимо трех имеющихся храмов: деревянного Никольского и каменных Пятницкого и Троицкого, предполагал возведение в городе новых храмов.
9 мая 1806 года, на средства одного из самых богатых горожан, отставного секунданта — майора А. С. Хлюстина, на главной торговой площади было начато строительство нового храма. Строительство велось по проекту крепостного архитектора Хлюстиных, — Ефима Егоровича Латышева.
После кончины А. С. Хлюстина в 1909 году, достраивать собор пришлось уже его сыновьям: штабс-капитану Семену Антоновичу, надворному советнику Михаилу Антоновичу и действительному статскому советнику Николаю Антоновичу. Строительство завершилось в 1818 году.
29 сентября 1818 года епископом Калужским и Боровским Антонием (Соколовым) состоялось освящение собора во имя святителя Николая Чудотворца. На следующий день 30 сентября также были освящены и приделы во имя Грузинской иконы Божией Матери и в честь святых апостолов Петра и Павла.
Из старого деревянного храма в собор была перенесена вся церковная утварь, а также иконы. Колокола в новую колокольню также сняли со старой. Вокруг собор была построена ограда, по углам которой располагались круглые башенки — три из них служили часовнями, а четвертая, находившаяся на юго-западной стороне была приспособлена под сторожку.
В храме нес службу протоиерей Иоанн Филиппович Чупров, в нем же был крещен и его сын, Александр Иванович Чупров, который сначала пошел по стопам отца — закончив Духовную семинарию поступил в Духовную академию, но не доучившись в ней, — перешел на юридический факультет Императорского Московского Университета, что в корне изменило его жизнь. Он стал ученым-экономистом с мировым именем, был статистом и заметным общественным деятелем.
В конце 1920-х начале 1930-х годов как и многие другие, — храм был закрыт, с колокольни сбросили колокола и крест, иконостас разграблен. В 1930 году арестовали викарного епископа Калужской епархии Стефана (Виноградова), его кафедра была в Мосальском Никольском соборе. Его, и арестованных вместе с ним протоиерея Иоаникия Виноградова и диакона Иоанна Никольского 21 августа 1930 года приговорили к пяти годам исправительно-трудовых лагерей с заменой приговора на пять лет ссылки в северные края. Позже в конце 1930-х был снесен и купол собора.
После закрытия храма здание использовали как Дом культуры, в котором были танцевальный зал и крутили кино. После войны в бывшем соборе организовали библиотеку и кинотеатр. Пережив войну храм все же не уцелел, — в 1950-х годах его разобрали на кирпич, которого не хватало для нужд города. Уцелела лишь колокольня, по причине того, что ее использовали как водонапорную башню. В какое-то время, по воспоминаниям старожилов, колокольня даже была увенчана красной светящейся звездой.
В 1999 году по инициативе администрации Мосальского района было начато восстановление храма, по сохранившемуся старому проекту. Колокольня была отреставрирована первой, и уже 1 января 2000 года над Мосальском зазвучал колокльный звон, а 11 июня 2000 года архиепископом Калужским и Боровским Климентом было освящено основание возрождающегося Никольского собора. Строительство завершилось полностью к концу 2000 года. Средства на восстановление были выделены Нефтяной компанией «ЮКОС».
В процессе восстановления был обнаружен склеп с останками майора А. С. Хлюстина, который по его собственному завещанию был погребен внутри собора. Так же была найдена памятная серебряная доска на которой имелись записи об этапах строительства храма. В июле 2000 года найденные останки А. С. Хлюстина, повторно освятили и перезахоронили.
