Первоначально церковь на этом месте появилась ещё в XVI веке. В дальнейшем храм несколько раз перестраивался. В 1903—1905 годах были построены сохранившиеся доныне шатровая колокольня и трапезная.
В 1934 г. после закрытия храма Петра и Павла на Новой Басманной ул. сюда была перенесена кафедра обновленцев. В 1936 году Никольский храм был окончательно закрыт и приспособлен для конторских нужд Треста строительства набережных. В этом же году Моссовет распорядился устроить в храме «Центральный антирелигиозный музей», переименованный в 1942 году в «Центральный музей истории религии и атеизма».
С 1945 по 2017 годы здесь располагались помещения студии Союзмультфильм. В феврале 2018 года здание окончательно передано Русской православной церкви. Требующая реставрации колокольня до сих пор является крупной вертикальной доминантой окружающей застройки и производит весьма гнетущее впечатление, по крайней мере, в такую пасмурную погоду.
