Площадь, на которой располагается Никольский собор, спланирована ещё до постройки храма, в первой половине XVIII века П. М. Еропкиным. Тогда это был плац Морского полкового двора. Вокруг площади находились одноэтажные деревянные казармы служащих Военно-морского ведомства. Позднее здесь же стояли казармы лейб-гвардии морского экипажа.

Для лейб-гвардии морского экипажа в 1743 году в центре площади была построена деревянная церковь во имя Николая Чудотворца. В дар этому храму греческие купцы передали византийскую икону святителя Николая. Икона остаётся главной святыней Никольского собора и по сей день.

Идея строительства каменного здания Николо-Богоявленского Морского собора возможно принадлежит Петру I. Будучи в Астрахани, он был удивлён красотой местного храма и пожелал иметь такой же и в Санкт-Петербурге. Однако при его жизни это сделано не было.

При суровом петербургском климате деревянная церковь стала быстро приходить в негодность. Президент Адмиралтейств коллегии князь Михаил Михайлович Голицын обратился к императрице Елизавете Петровне с просьбой о постройке новой каменной церкви, которая бы стала главным храмом Российского флота. Императрица согласилась и повелела строить собор по образцу Астраханского храма.

16 апреля 1752 года был подписан указ о строительстве. Разработка проекта была поручена архитектору Савве Ивановичу Чевакинскому. Проект и смета были готовы уже в мае, однако из-за нехватки строительных материалов летом работы так и не начали. А осенью пришло наводнение, которое затопило территорию будущей стройки. После этого наводнения проект пришлось переделывать, расчитываемую высоту увеличили на 2,13 метра. Для сохранения пропорций увеличили и ширину здания. Таким образом, создать точную копию Астраханского храма не удалось.

Строительные работы начались в 1753 году, закладка состоялась 15 июля. Для заказа металлических конструкций купола Чевакинский лично ездил в Тулу на заводы П. А. Демидова. К 1760 году на соборе возведены купола, основные работы окончены в 1762 году.

Одновременно с созданием Никольского собора с мая 1756 года возводилась и его колокольня. Строительство колокольни завершили раньше, чем строительство самого собора - в 1758 году. Поставлена она строго на западе от здания храма. К 1752 году Крюков канал был прорыт только от Невы к Мойке. Чевакинский же заранее предугадал продление водной артерии. Таким образом, колокольня оказалась на берегу только в 1780-е годы. Местность близ колокольни Никольского собора стала одним из самых романтических мест Санкт-Петербурга. Возможно, её здесь появление обязано не построенной колокольне Смольного монастыря. Чевакинский был учеником Ф. Б. Растрелли и был впечатлён моделью 120-метровой колокольни Смольного. Таким образом, он повторил замысел своего учителя, пусть и в меньших масштабах.

Никольский собор был освящён дважды. Первый раз освящали нижнюю церковь в 1760 году во имя Святителя Николая, а второй - верхнюю церковь во имя Богоявления Христова.

Никольский собор с конца XVIII века стал олицетворять морскую славу России. Екатерина II повелела подарить храму 10 образов в честь побед русского флота в битвах со шведами и турками. С тех пор закладку нового корабля, годовщину каждого важного события в истории русского флота здесь отмечают богослужением. Позже подарки делали многие известные люди: композитор Пётр Ильич Чайковский, поэтесса Анна Ахматова.

В 1759 году по предложению князя М. М. Голицына часть земли была выделена под церковный сад. В июне этого же года Чевакинским была предоставлена схема сада. Его территорию обнесли деревянной оградой на каменном основании с каменными же столбами.

В северной части участка располагалась вымощенная булыжником площадь. В 1873 году купец Осия Тупиков предложил разбить на её месте сквер, с чем обратился к петербургскому генерал-губернатору Д. Ф. Трепову. Все расходы купец брал на себя с условием передачи ему всех камней собранных с площади. Разрешение на устройства сквера Тупикову было дано, добавлено ещё одно условие: обнести его оградой за собственные средства. Сквер был открыт в апреле 1875 года. Побывав здесь, император пожелал объединить его с церковным садом. Священнослужители Никольского собора были против, не желая устраивать публичное место близ стен храма. Но противиться желанию государя не посмели. С тех пор здесь существует публичный сквер.

В 1908 году в сквере был установлен памятник офицерам и матросам погибшим на броненосце Император Александр III .

В советское время Никольский собор не был закрыт. С 1941 по 1999 год он являлся кафедральным. Здесь жил Митрополит Ленинградский и Новгородский Алексий, будущий Патриарх Алексий II. В блокадные дни утром и вечером им здесь проводились богослужения.

В 1989 году здесь была установлена памятная доска в честь экипажа подводной лодки Комсомолец . В 2000 году на стене храма были повешены памятные доски с именами погибших моряков на подводной лодке Курск .

Никольский собор открыт с 7:00 до 19:00.