Первый храм на месте Никольского собора мог быть построен еще в 70-х годах XVI века, когда был основан Епифанский острог. Народное предание связывает постройку собора со временем Куликовской битвы.
В нем говорится: «Когда вся земля Русская горела войною, и поле Куликово покрывалось телами умирающих татар, в это время спешила на войну литва, и в рядах ее больших обозов в повозке везена была икона св. Николая Чудотворца.
Перешедши Дон, литва остановилась для отдыха в Епифани, где ждал ее Епифан, и обозами своими раскинулась на выгоне; повозка же с скрытою в ней иконою остановилась на том месте, где ныне стоят соборная церковь и небольшая часовня. После отдыха литвяне хотели поспешить на Куликово поле, но повозка с иконою Николая Чудотворца стала неподвижно, на место волов впрягали было лошадей, но и лошади не двигались с места, как бы вкопанные в землю. Пробовали сдвинуть повозку сами, но не осилили. Наконец к везшим повозку присоединились другие литвяне и, не зная о скрытии в ней иконы, стали осматривать воз: увидев в нем скрытую икону, вздумали было посмеяться над нею, но поражены были слепотою. Литвяне принуждены были оставить икону (священнику) Епифану с его людьми, а сами поспешно бежали тою дорогою, по которой пришли. Для хранения этой иконы построена была первоначально часовня, а потом и церковь».
В XVII веке документы упоминают соборную церковь в Епифани. Как и крепостные стены, она была деревянной. В 1736—1738 годах строился каменный храм. Собор был обнесен каменной стеной с бойницами и четырьмя угловыми башнями. В настоящее время сохранилась одна из башен. Над воротами располагалась надвратная церковь во имя святого Иоанна Воина. Внутри ограды располагались городская управа (до 1 774 г.), Епифанское училище (переведено в г. Венев в 1837 г.), торговые лавки. Среди быстро богатевшего епифанского купечества родилась идея создания монументального собора в классическом стиле по чертежам столичных архитекторов. В начале XIX века старый храм разобрали (кроме колокольни) и в 1810 году начали строить величественный Никольский собор. Первоначально в 1810—1814 годах строилась зимняя придельная церковь во имя иконы Божией Матери Троеручицы. По некоторым данным, ее архитектором был Т. Т. Тимофеев. В 1815 году начали строить сам Никольский собор. В связи со значительными объемами работ и нехваткой средств строительство растянулось на несколько десятилетий и было завершено в 1850 году. Собор имел несколько приделов. Помимо уже упоминавшегося придела иконы Божией Матери Троеручицы, здесь находились приделы пророка Ильи, архистратига Михаила, Иоанна Воина (в колокольне). Собор был освящен 20 июля 1850 года, а спустя полтора месяца состоялось торжественное открытие памятника Дмитрию Донскому на Красном холме.
В 1932 году собор был закрыт. В трапезной храма расположилась местная электростанция. В 1941 году храм сильно пострадал: электростанция была взорвана, трапезная обрушилась. Вплоть до начала XXI века уникальный памятник архитектуры был оставлен без внимания и медленно разрушался. Сегодня храм передан Русской Православной Церкви, в нем совершаются праздничные богослужения, установлен иконостас, начаты работы по консервации и реставрации.