В 1730 году между р. Мойкой, Екатерингофским и Крюковым каналами у Синего моста для морских адмиралтейских служителей построена часовня во имя святителя Николая Чудотворца – покровителя моряков. В 1733 году по требованию Адмиралтейств-коллегии вместо нее устроена временная полотняная церковь. В 1743 году ее сменила деревянная церковь во имя святителя Николая Чудотворца с кладбищем при ней, построенная в центре Морского полкового двора.

В 1752 году в связи с ветхостью существующей церкви президент Адмиралтейств-коллегии, генерал-адмирал князь М.М. Голицын обратился с прошением к императрице Елизавете Петровне о постройке нового каменного храма. 16 апреля 1752 г. последовал высочайший указ «О построении каменной морской церкви против прежней ветхой деревянной, бывшей на Морском полковом дворе». В июле 1753 г. на плацу напротив старой деревянной церкви, заложена новая церковь по проекту архитектора С.И. Чевакинского. Главное наблюдение за строительством осуществлял князь М.М. Голицын. Каменное двухэтажное со сводами здание храма выполнено в стиле барокко, имеет форму равноконечного креста, украшено колоннами и увенчано пятью башнями с позолоченными куполами и ажурными крестами. Особое место в ансамбле собора занимает колокольня. Она представляет собой отдельно стоящее каменное четырехъярусное здание с высоким шпилем; строительство ее велось с 1756 по 1758 год.

Внутри храм разделен на два зала (апартамента) – нижняя и верхняя церкви. Постройка нижней трехпридельной церкви окончена в 1760 году. Главный придел освящен в том же году во имя Святителя Николая Чудотворца, правый придел – во имя Усекновения главы Иоанна Предтечи. Левый придел во имя Св. Дмитрия Ростовского освящен в 1762 году. Верхняя однопридельная церковь окончательно построена и освящена в 1762 году во имя Богоявления Господня.

Одновременно с освящением верхней церкви последовал императорский указ «О наименовании Николаевской церкви на Морском полковом дворе Морским Богоявленским Николаевским собором». Собор первоначально состоял в ведении Адмиралтейств-коллегии. В 1808 году перешел в епархиальное ведомство. На основании высочайшего повеления от 10 июля 1900 гг. передан в Морское ведомство с припиской к Гвардейскому экипажу и стал именоваться «Морской Николаевский Богоявленский собор».

При соборе имелось две часовни: одна построена в 1869 году с северной стороны ограды в память спасения императора Александра II в Париже 25 мая 1867 г.; вторая устроена в подвальном этаже церковного дома в 1865 году. В 1908 году в саду при соборе воздвигнут памятник в честь моряков Гвардейского экипажа, погибших в 1905 году в Цусимском сражении.

Ремонтные работы в соборе проводились в 1845, 1858, 1862, 1898, 1901 и 1913 гг.

Главная святыня собора – греческая икона Святителя Николая Чудотворца XVII века с частицей его мощей, полученная в дар от греческих купцов.

В 1870 году при соборе открыто благотворительное общество вспомоществования приходским бедным со школой, больницей, приютом и женской богадельней.

Декретом СНК от 23 января 1918 года «Об отделении церкви от государства и школы от церкви» храм лишен прав юридического лица, его имущество подлежало национализации. Собор оставался действующим. В 1918 году перешел в разряд приходских храмов; с 1941 по 1999 годы имел статус кафедрального собора. Является памятником архитектуры федерального значения.

Высочайшие указы и манифесты (1822, 1825); указы Синода (1762, 1779–1867 гг.); указы С.-Петербургской духовной консистории (1802–1823; 1830–1898 гг.); книга регистрации указов С.-Петербургской духовной консистории и предписаний благочинного (1855–1859 гг.); документы о постройке и деятельности деревянной церкви свт. Николая при Морском полковом дворе и новой каменной церкви во имя свт. Николая Чудотворца (1741–1759 гг.)..

Метрические книги (1764–1765, 1770–1772, 1781–1825, 1902–1907 гг.); клировые ведомости (1829, 1835, 1847–1856, 1858–1912 гг.); исповедные росписи (1811–1826 гг.); книги брачных обысков (1741–1753, 1756–1769, 1777–1779, 1782–1829 гг.); брачные документы (1765–1781, 1784–1825 гг.).

Главная церковная и ризничная опись (1873 г.); описи церковного имущества (1758, 1814 гг.);

акты обозрения церкви благочинным (1865–1885, 1889–1893, 1900–1901 гг.); ведомости о штатных и заштатных священноцерковнослужителях собора и членах их семей (1811–1819 гг.); документы о деятельности собора (1830–1898 гг.); о проведении ремонтных и строительных работ (1858, 1861–1865, 1898, 1901 гг.); книги прихода и расхода денежных сумм (1809–1826 гг.).

Книга учета выдачи жалованья церковнослужителям и служащим собора (1812–1834 гг.).

Имеются: метрические книги церквей Преображения Господня на Аптекарском острове (1777–1779 гг.; оп. 1, д. 8) и Святой Живоначальной Троицы при училище Дирекции императорских театров (1822–1831 гг.; оп. 1 д. 79А); указы С.-Петербургской духовной консистории, присланные для сведения и по текущей деятельности причтам церквей Успения Пресвятой Богородицы на Сенной площади (оп. 1 д. 32), Владимирской иконы Божией Матери в Придворных слободах и Покрова Пресвятой Богородицы в Большой Коломне (оп. 1 д. 34); ведомости о штатных и заштатных священноцерковнослужителях церквей и членах их семей (1782, 1791–1792, 1800, 1802–1820 гг.); книга прихода и расхода денежных сумм церкви Покрова Пресвятой Богородицы в Большой Коломне (1809–1812 гг.; оп. 1, д. 46); клировые ведомости церквей по округу благочинного священника Карашевича П.[И.] (1871 г.).