Один из самых известных храмовых сооружений дальневосточного Русского Зарубежья. Он открыл новую страницу в истории православного храмостроительства в Китае, связанную с сооружением КВЖД. Храм, ставший символом русского города в Китае, был возведен из дерева, и как считали его современники, был самым крупным деревянным сооружением во всей Восточной Азии.

Храм был сооружен в 1899 по проекту архитектора И. В. Падлевского под руководством гражданских инженеров А. К. Левтеева и В. К. Вельса и стал композиционной доминантой городского ландшафта (как это и было задумано по плану планировки Нового города – района Харбина). В качества прообраза здесь выступает обобщенный тип древнего северорусского храма. Вместе с тем, в образной структуре сооружения можно усмотреть и обращение к новогородско-псковскому зодчеству XIV–XV вв. – в характерной постановке самостоятельного объема колокольни. Традиционно для древнерусского храмового зодчества и выделение из общего объема сооружения самостоятельных объемов притворов, трапезной, колокольни, апсиды, крылец, галерей. Но многобъемность, сложность и живописность композиции не противоречит ее величавой уравновешенности. Этому в первую очередь способствует симметричность здания. Реализация проекта собора была осуществлена с высокой точностью, за исключением нескольких деталей. Вся система внутренней отделки храма также ориентировалась на древний период истории христианского искусства. Основная роль в убранстве храма отводилась иконостасу, второстепенная – деревянному орнаменту, высоким витражам.

Основной святыней храма был большой образ святителя Николая, исполненный со строгим соблюдением правил старинной иконописи. Прием расположения одиночных росписей по преимуществу на восточной стороне храма получает широкое распространение в конце XIX – начале ХХ в. Его можно считать своеобразной формой возрождения свойственного русским деревянным храмам обычая оставлять стены не расписанными. Соответственно смыслообразующая и композиционно-художественная роль иконостаса возрастает. В связи с этим росписи стен были минимальными и размещались, по-видимому, на алтарной стене, о чем свидетельствуют архивные фотографии. Большие стенные иконы («Пресвятая троица» и «Сошествие Святого духа»), размещенные в апсиде и над хорами, написал художник Д. И. Глущенко, они стали особыми святынями храма. Здание вмещало около 500 человек. Имело центральное отопление.

За неимением в Харбине художников и мастеров, иконостас, иконы и церковная утварь были изготовлены в России, шесть колоколов были отлиты в Ярославле на заводе П. А. Оловянишникова.

Храм был освящен 5 декабря 1900. Его первым настоятелем стал священник охранной стражи о. А. П. Журавский. В 1913 после ремонта храм был снова освящен архиепископом Владивостокским и Приморским Евлогием. В храме в разные годы проводили службы более 30 священников, в том числе первый глава Харбинской епархии митрополит Мефодий, похороненный здесь же под образом Николая Чудотворца. В 1958 священником впервые был назначен китаец – о. Григорий Чжу (скончался в 2000).

В 1966 во времена «культурной» революции собор сожжен. В 1991 в Сиднее, возвели часовню-памятник в честь 1000-летия крещения Руси и в память Свято-Николаевского собора, в современных формах которого угадывается его стилизованный архитектурный образ (архитектор М. А. Бакич).

Ныне в окрестностях Харбина воссоздана копия храма в качестве туристического объекта в комплексе национальных построек «Парка русской культуры» (проект 2005, автор проекта воссоздания Н. П. Крадин).