Прилегающая территория была застроена одноэтажными казармами. В них жили служители Военно-морского ведомства. Об этом говорят названия Канонерской улицы и Канонерского переулка. До нашего времени сохранились каменные постройки Никольского рынка, возведенные в 1788—1789 годах. Выбор места строительства собора кроме наличия свободного участка в южной части Полкового двора, определялся и близостью водных путей — Фонтанки, Екатерининского и Крюкова каналов.

Никольский морской собор был построен в период с 1753 по 1762 год на морском полковом дворе на месте деревянного храма, вмещает около пяти тысяч человек одновременно. Отдельно стоящая четырёхъярусная, завершенная высоким шпилем колокольня возведена в 1755—1758 годах.

Крестообразное в плане здание Никольского морского собора украшено коринфскими колоннами, собранными в пучки, лепными наличниками, широким антаблементом и увенчано золочёным пятиглавием. Богатую пластику фасада дополняют балконы с узорными коваными решётками.

Нижняя трёхпридельная Никольская церковь освящена во имя святого Николая Чудотворца, который традиционно считается покровителем плавающих и путешествующих, верхняя однопрестольная церковь — во имя Богоявления Господня. В них сохранились резные иконостасы XVIII века, исполненные И. Ф. Канаевым и С. Никулиным. Образа написали братья Колокольниковы.

При освящении собор наименован морским, в нём отмечались победы российского флота. Главная святыня Никольского морского собора — греческая икона святителя Николая Чудотворца XVII века с частицей его мощей — находится в нижнем храме. Только не путайте Никольский морской собор с Морским Никольским собором в Кронштадте))

В саду перед храмом, в 1908 году был воздвигнут Цусимский обелиск в память о погибших при Цусиме, созданный по проекту морского офицера князя Путятина.

При соборе с 1870 года действовало благотворительное общество со школой, больницей, приютом и женской богадельней. После Октябрьской революции 1917 года Никольский морской собор не закрывался и в 1941—1999 годах был кафедральным.

В 2000 году в нижнем ярусе колокольни освящена часовня.

19 апреля 2008 года митрополит Санкт-Петербургский и Ладожский Владимир совершил чин освящения верхнего храма, Богоявленской церкви. В храм также были возвращены святыни — старинные, византийской традиции, иконы живописцев Колокольниковых и ковчег с частицами мощей святых многих веков, начиная с первых христианских мучеников.

В верхнем храме установлены мемориальные доски экипажам АПЛ “Комсомолец” и других затонувших советских субмарин. В дни памяти совершаются панихиды по членам экипажей. С 2000 года в соборе совершается поминовение моряков АПЛ “Курск”.

Никольский морской собор повлиял на топонимику города и дал свое имя площади, переулку, рынку и Старо- и Ново-Никольскому мостам, а также прежнему названию улицы Глинки.