Святителю Николаю Чудотворцу был посвящён первый деревянный храм обители. В конце XV – начале XVI века соборный храм перестроили в кирпиче. Согласно описи 1685 года, при игумене Корнилии одноглавый собор стал пятиглавым и был окружён папертью. Ещё одно перестроение произошло в 1805–1806 годах на средства И. П. Юшкова, когда храму придали черты псевдоготики. В папертях устроены приделы Феодоровской иконы Богоматери в 1837 году и образа Богоматери «Прежде Рождества и по Рождестве Дева» в 1886 году.
Собор закрыли в 1920-х. Внутреннее убранство – золочёный иконостас, иконы в драгоценных окладах, храмовый образ Николая Чудотворца с деяниями, списки с икон Тихвинской и Феодоровской Богоматери – утрачены. Единственная сохранившаяся икона из Никольского храма – это образ Иоанна Предтечи из деисусного ряда иконостаса, сохранённый в музее имени Андрея Рублёва.
В 1964–1965 годах начаты работы по реставрации с учётом первоначального облика храма в XVI веке: были убраны дополнительные главы и раскрыты находящиеся под поздней четырёхскатной кровлей нарядные ряды килевидных закомар и кокошников. Долгое время здесь располагалась столовая ПНИ.
В 2010 году состоялась передача храма Церкви, проведён ремонт, а 19 декабря 2011 года в день памяти святителя Николая Чудотворца собор освятили. При восстановлении Феодоровский придел заменён на придел Леонтия Ростовского. Память святого Леонтия чтил преподобный Мефодий Пешношский, ранее в храме был древний скрытый правый алтарь в честь святителя Леонтия.
