Храм расположен в районе Санкт-Петербурга, где ранее проживали служители Военно-морского ведомства. До сих пор об этом сообщают название улицы Канонерская.

Никольский морской собор был построен в период с 1753 по 1762 год по проекту архитектора С.И. Чевакинского. Храм построен на морском полковом дворе, на месте деревянного храма, вмещает он около пяти тысяч человек одновременно. Отдельно стоящая четырёхярусная, завершенная высоким шпилем колокольня возведена в 1755 - 1758 годах. Двухэтажный собор представляет в плане равноконечный крест. Здание Никольского морского собора украшено коринфскими колоннами, собранными в пучки, лепными наличниками, широким антаблементом и увенчано золочёным пятиглавием. Необычный вид фасада создают неожиданные для православного храма украшения - балконы с узорными коваными решётками.

Главный предел нижней, трёхпридельной, церкви освящен во имя святителя Николая Чудотворца, покровителя плавающих и путешествующих; правый (южный) предел - во имя Усекновения главы Иоанна Предтечи; левый (северный) предел освящён во имя святителя Дмитрия Ростовского. Верхняя однопрестольная церковь освящена во имя Богоявления Господня. В них сохранились резные иконостасы XVIII века, исполненные И.Ф. Канаевым и С. Никулиным. Иконы писали братья Колокольниковы: Федот (в верхнем храме) и Мина (в нижнем храме).

Главная святыня собора - греческая икона святителя Николая Чудотворца XVII века с частицей его мощей - находится в нижнем храме.

В саду перед храмом, в 1908 году был воздвигнут Цусимский обелиск посвященный памяти моряков броненосца "Александр III", погибших в сражении при Цусиме 14 мая 1905 года. Обелиск создан по проекту морского офицера князя Путятина.

При соборе с 1870 года действовало благотворительное общество со школой, больницей, приютом и женской богадельней. После революции 1917 года Никольский собор значительно пострадал, однако не был закрыт. С 1941 до 1999 года он являлся кафедральным собором, а во время блокады в нем жил митрополит Алексий, будущий Святейший Патриарх Всея Руси Алексий I. Рассказывают, что во время Великой Отечественной войны в здание собора не попало ни одного снаряда.

В 2000 году в нижнем ярусе колокольни освящена часовня.

На стенах собора помещены доски с именами моряков, погибших на эскадренном броненосце "Петропавловск" 31 марта 1904 года в Порт-Артуре, на атомной подводной лодке "Комсомолец" 7 апреля 1989 года в Норвежском море и других затонувших советских субмарин. В дни памяти совершаются панихиды по членам экипажей. С 2000 года в соборе совершается поминовение моряков АПЛ "Курск".