Кафедральный собор в честь святителя Николая занимал самое лучшее место в центре города; он был обращен передним фасадом к так называемой Замковой, или Соборной площади, с правой стороны проходила Задунавская улица, левая примыкала к зданиям архиерейского дома, алтарная сторона была обращена к саду. Храм был сооружен в 1644 году.

Исторически на месте современной площади Свободы располагалось несколько последовательно сменявших друг друга храмов. Церковь в честь святой великомученицы Параскевы Пятницы была построена во второй половине XII века и просуществовала до конца XVI столетия. К 1649 году иезуиты поставили на ее месте деревянный костел в самом центре города. Когда Витебск заняли русские войска (1654–1667), постройки иезуитов были преобразованы в православный Свято-Алексеевский монастырь. Деревянный храм изображен на «Чертежах града Витебска 1664 года» в виде продолговатого высокого здания с двумя сокрестиями по бокам алтаря и многоярусной звонницей над входом.

В 1716 году началось возведение каменного здания костела и иезуитского коллегиума. В 1780-х годах площадь перед костелом дополнилась новыми строениями. В 1843 году костел перестроен и переименован в Свято-Николаевский кафедральный собор, и к концу XIX века площадь стала называться Соборной. В 1872 году при капитальном ремонте собора была снесена башня с тогдашними городскими часами, составлявшая часть величественных зданий Николаевского кафедрального собора, архиерейского дома и домовою церкви.

Особое место занимал в истории Православия на Витебщине также архиерейский дом, входящий в комплекс зданий Свято-Николаевского собора. Так, 2 сентября 1893 года в Витебске в присутствии Преосвященного Антонина последовало частное открытие церковного древлехранилища, «с какового дня это учреждение можно считать начавшим свое бытие».

К этому дню этнограф Евдоким Романович Романов и известный историк Алексей Парфенович Сапунов представили Преосвященному Антонину проект устава древлехранилища, который был направлен в Священный Синод на утверждение. 27 октября 1895 года последовал указ Святейшего Синода об открытии в Витебске церковно-археологического древлехранилища с помещением его в здании архиерейского дома. В этом первом в своем роде церковно-археологическом музее хранились памятники церковной старины, представляющие не только местный, но и общий церковно-археологический интерес и заслуживающие тщательного сохранения от уничтожения временем и неопытностью лиц, ближайшему наблюдению которых они вверены.

В числе этих памятников встречались древние облачения, нередко из холста или пестряди, а иногда из замечательных образцов древней парчи и шелка, древние сосуды: деревянные и оловянные потиры, дискосы, блюда, свещники, часто со священными изображениями или редким орнаментом, резным и живописным; древние металлические и деревянные кресты и образа старого письма: западной и великорусской школы; старинные плащаницы; старопечатные и рукописные богослужебные книги, старинные планы несуществующих уже в то время храмов; древние колокола, предметы церковной утвари, лубочные венцы тому подобное.

Позже аналогичные древлехранилища были основаны во многих епархиальных городах. Витебский церковно-археологический музей в 1916 году был переименован в Витебское церковно-археологическое товарищество. Октябрьский переворот 1917 года стал причиной гибели музея.

Свято-Николаевский собор имел форму крестообразную, с весьма малым выступом боковых частей; на нем, кроме купола, две глухих башни, замечательная оригинальностью устройства глав, представляющих фигуру буквы Х. Внутри длина собора с притвором 56, а ширина 34,5 аршина; свод храма поддерживается четырьмя четырехугольными колоннами, поверх которых, равно как и вокруг всего храма, протянут широкий расписанный карниз. Стены церкви белые; средняя, т.е. подкупольная часть ее, для сохранения теплоты, была накрыта огромным стеклянным колпаком.

История Свято-Николаевского собора тесно связана с основными событиями жизни Витебской епархии в переломный в отношении новой революционной власти к церковной жизни 1918 год. В 1918 году здание Витебской Губернской ЧК располагалось всего лишь через дорогу от Николаевского кафедрального собора. Эта дорога и стала границей, перейдя которую, многие священнослужители и просто верующие жители города стали на исповеднический путь.

Показательной реакцией гонителей веры стал немыслимый ранее обыск красногвардейцами архиерейского дома, домовой Крестовой церкви, квартир священнослужителей Витебского Николаевского кафедрального собора в 1918 году. Тот факт, что красногвардейцы в шапках, с оружием в руках вошли в алтарь и прикасались к святыням, вызвал всеобщее возмущение и побудил к действиям в защиту веры даже военнослужащих: Белорусский полк взял на себя охрану Николаевского собора и архиерейского дома, 5-й Сибирский и Литовский полки потребовали от революционного комитета прекратить нападения на церкви. Рабочие и служащие железной дороги собрались на митинг, на котором составили обращение в адрес революционного комитета, потребовав наказать виновных в незаконном обыске архиерейского дома и кощунстве в Крестовой церкви.

Викарный епископ Пантелеимон (Рожновский) был вынужден срочно покинуть Москву, где принимал участие в работе Поместного собора Русской Православной Церкви, и 22 февраля 1918 года вернулся в Витебск. С его возвращением ситуация была урегулирована, а 24 февраля 1918 года в Витебском кафедральном Николаевском соборе перед простреленной иконой Спасителя соборным чином был отслужен молебен, который возглавил сам епископ Пантелеимон.

Судьба Свято-Николаевского собора Витебска тесно связана с деятельностью прославленного в 2007 году в чине новомучеников святого священномученика Николая, пресвитера Витебского (память празднуется 12 сентября (н.ст.) и в 3-ю неделю по Пятидесятнице). Священник Николай Околович с мая 1919 года проживал в Витебске. Витебская Духовная семинария была уже закрыта. По благословению архиепископа Иннокентия (Ястребова) и с разрешения гражданских властей, в 1919 году при Николаевском кафедральном соборе начала действовать пастырская школа под руководством священника Николая Околовича. К 1922 году священник Николай Околович стал настоятелем Николаевского кафедрального собора в Витебске.

На время его служения в этой должности пришлось изъятие церковных ценностей, реквизированных как в Николаевском соборе, так и в приписных к нему Успенском соборе, архиерейской Михаило-Архангельской церкви и больничной Скорбященской церкви. Свою непосредственную работу по изъятию церковных ценностей Губернская комиссия начала после окончания Пасхальной седмицы — с 24 апреля 1922 года, с таким расчетом, чтобы окончить изъятие ценностей до 15 мая 1922 года. В целом по городу Витебску изъятие ценностей было проведено в течение четырех дней и закончилось 29 апреля 1922 года. Но в кафедральном Николаевском соборе, по свидетельству протоиерея Николая Околовича, в течение трех недель было четыре этапа изъятия ценностей. При последнем изъятии были реквизированы девять архиерейских крестов, а оставлен один – ветхий, без цепочки и уже вышедший из употребления. На возражение протоиерея Николая Околовича председатель комиссии насмешливо ответил, что крест можно носить и на веревочке. В тот же день в кафедральном Николаевском соборе Витебска было архиерейское богослужение, на котором протоиерей Николай Околович снял свой наградной крест и отдал его архиерею. Благодаря мудрому поведению отца Николая, напрасного кровопролития не произошло: не только сама передача ценностей прошла достаточно мирно, но и были возвращены в Успенский собор изъятые литургические сосуды, что позволило вновь совершать в нем богослужения.

Свято-Николаевский собор был взорван в 1956 году.

18 июня 2009 года был зарегистрирован приход Свято-Николаевского кафедрального собора Витебска.

Настоятелем прихода является секретарь Витебской епархии протоиерей Владимир Резанович.