Никольский собор был заложен князем Мстиславом Владимировичем в 1113 году, но точная дата окончания строительства неизвестна. Считается, что работы завершились в 1136 году, поскольку в летописи указано, что именно тогда была освящена «церковь святого Николы».
С начала XIII века возле стен Никольского собора стало собираться вече местного боярства. В ходе археологических раскопок был обнаружен помост для собраний между северным фасадом этого храма и церковью Параскевы Пятницы. Под сводами Никольского собора находили защиту горожане, которые были вынуждены скрываться по разным причинам. В XIV-XV веках церковь была патрональным храмом городского веча и сохраняла своё значение до XVIII столетия. После количество его прихожан стало сокращаться, и собор пришёл в упадок.
В 1810 году церковь увеличили пристройками с северной и западной сторон, через 20 лет была расписана древняя часть храма. В 1854 году в Никольском соборе появился новый иконостас. В 1913 году было отпраздновано 800-летие храма, к которому прошли некоторые ремонтные работы.
После Октябрьской революции храм не был закрыт, с 1933 года он стал осуществлять ещё и музейные функции. Во время немецко-фашистской оккупации в здании устроили солдатскую казарму. Артиллерийские обстрелы привели к разрушению верхних частей здания и кровли, на арках, сводах и стенах появились трещины. В 1952 году Никольский собор упразднили и передали Новгородскому музею, началось его научное изучение.
В 1994-1999 годах прошла комплексная реставрация Никольского собора под руководством архитекторов Е.И. Скрипцовой и В.А. Дружинина. Значительную часть средств на эти работы выделил Северо-европейский торговый союз древних городов Ганзы. Сейчас церковь работает как музей с 10:00 до 18:00, кроме понедельника и вторника, а также последней пятницы месяца.
