История собора берет свое начало с небольшой Николаевской церкви, возведенной греческой общиной в далеком 1806 году, которая сильно пострадала в годы оккупации. По инициативе протоиерея Иакова Чепурина, в 1891 году начался сбор пожертвований на строительство нового собора. Деньги собирали всем городом. Сам император всероссийский Александр III выделил крупную сумму денег из государственной казны на строительство нового храма. Итак, закладка первого камня состоялась 11 июля 1893 года. Торжественное освящение храма во имя Святого Николая Чудотворца состоялось 16 февраля 1899 года. Процедуру освящения в честь покровителя торговцев и мореплавателей Николая проводил Преосвященный Никон, епископ Вольский.

16 мая 1916 года собор посетило августейшее семейство Российского Императора Николая II. В храме был отслужен молебен с провозглашением многолетия царскому дому и русскому воинству. Это был последний православный храм в Крыму, а Евпатория – последний город Таврической губернии, где ступала нога царя Николая II.

С установлением советской власти собор неоднократно закрывали и открывали. В одно время здесь размещался склад для хранения зерна, затем художественная мастерская. Чуть позже храм снова открыли для религиозных служб, но большая часть уникального, с исторической точки зрения, убранства была потеряна и вывезена.

Свято-Николаевский собор украшен тремя видами крестов. Георгиевские кресты, расположенные на ограде, олицетворяют воинскую доблесть павших в Крымской войне. Византийские кресты, расположенные на колоннах, в память о походе на Константинополь в 1878 году, а также как напоминание о том, что евпаторийский собор является миниатюрной копией собора Святой Софии в Константинополе. Купола венчают русские православные кресты, которые заменили византийские во время реставрации, нарушив архитектурную композицию храма.