Деревянный храм на этом месте был заложен в 1788 году. Через четыре года был разобран и перенесен за город на кладбище, где снова был устроен и освящен во имя мучеников Флора и Лавра. На его месте в 1793 году был заложен фундамент под строительство каменного двухэтажного храма.

Через три года после закладки нижний храм был закончен и освящен в честь Св. Николая, архиепископа Мирликийского Чудотворца, а постройка верхнего приведена к концу в 1802 году, когда он и освящен в честь рождества Пр. Богородицы.

В 1845 году были заложены как с южной, так и с северной стороны каменные двухэтажные приделы, причем на южной стороне нижний храм освящен в честь рождества Св. Иоанна Крестителя, верхний в честь Тихвинской иконы Божией Матери, а на северной - нижний в честь Св. Пророка Божия Ильи. Постройка нижнего этажа приделов была закончена в 1848 г., тогда же в них установлены были иконостасы и в 1849 г. совершено их освящение; верхний же этаж закончен был в 1852 г., в 1853 г. последовало освящение южного придела и в 1854 г. - северного.

Теснота храма, особенно нижнего его этажа, очень заметная в большие праздники при большом стечении молящихся, вызвала необходимость расширения его за счет помещения, занимаемого лестницами, ведущими в верхний этаж. В 1855 г. начаты работы по расширению, колокольня при этом была разобрана, для лестниц была сделана новая пристройка, составляющая продолжение приделов к западу, а взамен колокольни устроена новая, вышиной в 20 сажен. В 1895 г. лестницы снова были перестроены, для них были сделаны новые пристройки, подобно предыдущим продолженным к западу, сами лестницы заменены каменными (до того времени они были деревянные), а занимаемые ими прежде помещения приспособлены - с южной стороны для архива, ризницы и библиотеки, а с северной,- частью для кладовой, частью для сторожки.

По своему виду Николаевская церковь представляет правильное четырехугольное здание, с несколько выдающимся в виде шестиугольника главным алтарем, увенчанное одним куполом, с высоким на нем фонарем и заканчивающееся колокольней, в одну линию с которой (на западной стороне) выведены новые пристройки для лестниц. Над главным алтарем устроен такой же фонарь, как и над куполом.

Самой ценной иконой в храме являлась икона Тихвинской Божьей матери, одетая в сребропозлащенную ризу с сапфирами, бриллиантами и другими драгоценными камнями, подаренная Федором Фетисовым после его чудесного спасения на Ладожском озере.

К Николаевской церкви были приписаны три каменных часовни: из них одна во имя Св. Пророка Божия Ильи находилась на площади между городом и земской больницей, другие две в причисленных к приходу деревнях.

В состав прихода входили деревни Большая Погорелка и Хлызова. Действовали две церковно-приходский школы — при самом храме и в деревне Большой Погорелке.

По Николаевской церкви в городе названы были две улицы - Николаевская (Ленина) и Церковная (Р. Люксембург).

Храм являлся архиерейским храмом епископа Стефана (Знамировского) в период его служения епископом Шадринским, викарием Свердловской епархии, в 1924 — 1927 годах.

В конце 1920-х — 30-х годах в здании храма располагалось общежитие агропедтехникума, в 1940 — 50-е годы — автомеханический техникум, в устроенных мастерских стояли фрезерные и токарные станки. Также полуразрушенный храм использовали в качестве винного магазина.

В 1991 году храм был передан верующим, начались восстановительные работы. 19 декабря 1991 года состоялась первая после закрытия служба. С 1993 года — кафедральный собор Курганской и Шадринской епархии, с 2015 года — Шадринской и Далматовской епархии.

18 декабря 2012 года архиепископ Курганский Константин (Горянов) совершил освящение резного иконостаса центрального придела открытого после масштабного ремонта храма. Иконостас изготовлен из ценных пород дерева мастерами иконостасной мастерской города Рубцовска Алтайского края.

Адрес: Пионерская улица, 42, Шадринск, Курганская область, 641870. Координаты: 56.077900, 63.637351