Первые упоминания о церкви, тогда еще деревянной, относятся к первой четверти XIII века. Храм сложили специально для иконы святителя Николая, принесенной из Корсуни в 1225 году. Храм неоднократно перестраивался, пока в 1681 году, по указу государя Федора Алексеевича, на его месте воздвигли каменный пятиглавый Никольский собор.
За правым клиросом в древнем киоте стояла главная святыня собора — чудотворная икона Николы Зарайского. К ней стремились верующие: и простые люди — крестьяне, купцы и ремесленники, и высшее сословие — родовитые дворяне, великие князья и даже государи. Икону Николы Зарайского чтил преподобный Сергий Радонежский и совершал перед ней молебны. На богомолье в Зарайск приезжал царь Иван Грозный со своим сыном. Храм украшался на пожертвования верующих — изображения святых находились даже на железных кованых дверях.
В XVIII столетии в соборе появился великолепный барочный иконостас с рокальевыми мотивами. Во второй половине XIX века в храме обновили живопись и устроили новую кровлю. В 1919 году собор закрыли, отдав помещение под музейную экспозицию. Какое-то время убранство храма сохранялось в неприкосновенности. Однако, после того, как в церковные стены въехал сначала архив, а затем и склад, последовали разрушения: паперти были разломаны, иконы в богатых окладах исчезли, равно как и церковная утварь, книги, резные скульптуры.
Последним настоятелем собора перед его закрытием был протоиерей Иоанн Смирнов. Священника расстреляли на Бутовском полигоне 9 сентября 1937 года. Возрождение собора началось в 1990-х годах.
