Закладка собора состоялась 15 июля 1753 года. Нижний храм был освящен в 1760 году, а два года спустя состоялось освящение главного верхнего храма.
Собор имеет крестообразный план, разделен по высоте на два этажа. Двухэтажное построение здания не отражено на фасадах, которые создают впечатление, будто за ними находится цельное внутреннее пространство. Выступающие углы оформлены пучками из трех колонн, причем средняя колонна каждого пучка поставлена на самый угол — мотив, заимствованный из древнерусского зодчества. Окна разнообразной формы обрамлены лепными скульптурными наличниками. Широкий пояс антаблемента украшен по фризу кронштейнами и разорван овальными окнами. Собор венчается пятью широко расставленными куполами на высоких восьмигранных барабанах.
Примечательно, что С. И. Чевакинский ввел в оформление фасадов собора элемент светской архитектуры — балконы с коваными узорными решетками. Для русского церковного зодчества это было необычным явлением: ранее наружные балконы имела только церковь Архангела Гавриила («Меншикова башня») в Москве.
В нижнем храме расположены три придела, центральный из которых, посвященный св. Николаю Чудотворцу, покровителю мореплавателей, и дал название собору. В верхнем храме имеется только один алтарь в честь праздника Богоявления. В обоих храмах большую ценность представляет прекрасно сохранившееся лепное и резное убранство середины XVIII века, в особенности, резные иконостасы.
Отдельно стоящая четырехъярусная колокольня с высоким шпилем была начата строительством в 1756 году и завершена два года спустя. Композиция колокольни строится на сопоставлении вогнутых поверхностей нижних двух ярусов и круглых в плане объемов верхних ярусов. Совершенная по пропорциям и изяществу силуэта, эта колокольня стала признанным шедевром архитектуры русского барокко.