Полное название собора – Николо-Богоявленский собор, так как он состоит из двух церквей: нижняя освящена во имя покровителя всех странствующих и моряков Николая Чудотворца, а верхняя носит имя Богоявления Господня. Считается, что собор появился – правда, с большим опозданием – из-за желания Петра Первого видеть в Санкт-Петербурге храм, который не уступал бы Успенскому собору в Астрахани. При жизни Петра этого не случилось: Никольский собор возвели только в 1762 году. Екатерина II велела построить на месте обветшавшей церкви на Никольской площади новую каменную, по образцу Астраханской. Она должна была стать главным храмом флота России, в ней предполагалось отмечать его победы.
Строительством занялся ученик Растрелли Чевакинский. Первой он построил четырёхъярусную колокольню, а затем барочную церковь с коринфскими колоннами, лепниной и балконами с узорными решетками. Екатерина II подарила собору 10 образов. Позже перед храмом разбили сад, где в 1908 году был установлен памятник офицерам и солдатам, погибшим в Цусимской битве. А в нижней церкви храма ещё с русско-японской войны стали устанавливаться мемориальные доски в память о погибших моряках. В 1989 году здесь появилась памятная доска экипажу подводной лодки «Комсомолец». В советское время собор не был закрыт, в нем проводились службы. Одно время здесь жил будущий патриарх Алексий II.