Значимым событием для жителей уезда стало опубликование в конце 1858 года во всероссийских газетах решения священного синода об увековечивании памяти умершего императора Николая I – сооружении в Старобельске храма его имени: «В память усопшего, в бозе почившего государя Николая I построить в городе Старобельске Харьковской епархии каменный храм с именем Николаевский, Николаевская церковь. Архитектурное оформление исполнить в стиле барокко, считая наивысшим достижением строительного мастерства и высокой культуры старины».
Это сообщение обсуждалось везде и всеми. Многие вносили свои предложения о месте строительства будущего храма. В конце 1859 года было определено место для новой церкви – на холме между Малой Дворянской и Соборной, Классической и Николаевской улицами, неподалеку от кафедрального собора Покрова Божьей Матери, которому на то время исполнилось уже 65 лет. Новый храм строился быстро. Уже в 1862 году строительство было завершено и нынешний Свято-Николаевский кафедральный собор был освящен. Судьба его оказалась счастливой: с 1924 по 1994 год Николаевская церковь была единственной из церквей города, в которой велась служба.
По материалам официального сайта Северодонецкой и Старобельской епархии
Автором проекта был епархиальный архитектор Харьковской духовной консистории М.А. Краевский. Строительство нового храма завершили быстро. В 1866 г. храм был освящен. Первым настоятелем стал протоиерей Алексий Петрович Аристов, который служил в этом храме до 1881 г. 1 января 1894 г. при церкви открыли приходскую школу. 3 июля 1903 г. настоятелем назначен 27-летний священник Николай Мищенко, который 43 года нёс пастырское служение при храме. Похоронен отец Николай в северо-восточной стороне храма.
В 1930-е г.г. храм закрыли, но судьба его не оказалась трагической, в отличие от других в округе — он не подвергся разрушению.
В 1944 г. было разрешено открыть храм для совершения богослужений. Со времен СССР церковь признана памятником архитектуры XIX в. При настоятеле протоиерее Романе Шукало были проведены работы по замене кровли храма, а также был заложен фундамент и начато строительство здания для воскресной школы.
С учреждением Луганской епархии в 1991 г. Старобельск стал вторым епархиальным городом и Николаевская церковь получила статус кафедрального собора. С 1991 г. проведены внешние и внутренние работы в храме, храм был расписан (1991-1992), завершена постройка административного здания, возведена часовня.
5 мая 2016 г., в четверг Светлой седмицы, новый престол центрального алтаря собора освящен архиепископом Северодонецким и Старобельским Никодимом (Барановским).
Официальный сайт Северодонецкой епархии, http://sed-eparhia.com/kafedralnyj-sobor/474-svyato-nikolaevskij-kafedralnyj-sobor-g-starobelska.html; http://drevo-info.ru/articles/13677144.html