В 1904 г. жители юго-западной части г. Верного (Алматы) приступили к изысканию средств для постройки церкви на Зубовской площади. 14 декабря 1908 г. новый храм свт. Николая, созданный по проекту архитектора С.К. Тропаревского, был освящен епископом Туркестанским и Ташкентским Димитрием (Абашидзе).
Исполнителем технических проектов и руководителем церковно-строительных работ был архитектор А.П. Зенков. Первый настоятель храма – свщмч. прот. Александр Скальский. В соборе три придела: центральный — в честь свт. Николая Чудотворца, южный — в честь св. вмч. Пантелеимона, северный — в честь св. вмц. Варвары. В послевоенные годы священноисповедником Николаем (Могилевским), митрополитом Алма-Атинским и Казахстанским, был устроен нижний придел в честь Успения Пресвятой Богородицы.
В смутное время, когда в Семиречье насаждалось обновленчество, Никольский храм явился оплотом православия в Алма-Ате. В годы гонений собор принимал духовенство и монашествующих, сосланных в Казахстан. В том числе в церкви проживали и служили ссыльные архиепископ Херсонский и Николаевский Прокопий (Титов) и еп. Подольский и Брацлавский Амвросий (Полянский).
В 1936 г. храм был закрыт. В здании церкви поместили музей атеизма. С начала Великой Отечественной войны в Никольском соборе была устроена конюшня, в подвале храма – военная штрафная рота.
В 1945 г. постановлением Священного Синода была образована Алма-Атинская и Казахстанская епархия. В 1946 г. Никольский собор был передан общине верующих и вновь стал кафедральным собором епархии.
Весной 1995 г. при активном содействии группы «Милосердие» на территории храма завершено сооружение Поклонного Креста — постамента в память о жертвах послереволюционных репрессий духовенства и мирян. 10 июня 1991 г. по благословению архиеп. Алексия (Кутепова) (ныне митрополит Тульский и Ефремовский) была открыта церковно-приходская школа — одна из первых в Казахстане.
Святыни храма: мощи свт. Николая, митрополита Алма-Атинского Казахстанского, частицы мощей св. вмч. Пантелеимона (из Афонского Свято-Пантелеимонова монастыря) и св. вмц. Варвары (из Киева). Икона свт. Иоанна Тобольского с частицей его св. мощей, подаренная жителями г. Тобольска в марте 1954 г. в знак благодарности за материальную помощь, оказанную прихожанами Никольского собора на восстановление Тобольского храма. Икона свт. Николая Чудотворца с частицей св. мощей, подаренная в 1993 г. Высокопреосвященнейшим Алексием, архиепископом Алма-Атинским и Семипалатинским. В одной из древнейших икон храма — образе свт. Николая (1911 г.) находится специально сооруженный крест с частицей Камня Пещеры Рождества Христова в Вифлееме. Ковчежец с частицами мощей более чем 20 святых: свт. Григория, вмц. Марины, вмц. Параскевы, прпмч. Анастасия, прп. Онуфрия Великого, прп. Нила Столобенского, прп. Силуана, преподобных отцов Киево-Печерской Лавры, блгв. кн. Анны и др. Частица мощей свт. Николая, Архиепископа Мир Ликийских, подаренная в 2010 г. к престольному празднику Высокопреосвященнейшим Александром, Архиепископом (ныне Митрополит) Астанайским и Алматинским.
Храм построен из Тянь-Шаньской ели с учетом сейсмической опасности зоны. Выдержал разрушительное 10-бальное землетрясение 1911 г.