Собор Николая Чудотворца - самая старая каменная постройка Мышкина. Он старше самого города - Никольская церковь в селе Мышкино была построена в 1766 году, а статус города присвоен в 1777 году. С этого момента Никольская церковь стала городским собором.
Интересна история постройки собора. Александр Петрович Березин, купец 1-ой гильдии, городской голова города Санкт-Петербурга, родился в семье крестьян в селе Еремейцево, неподалеку от Мышкина. Его отец был очень беден и был вынужден заложить в мышкинском трактире икону Святого Николая Чудотворца. Спустя более чем четверть века разбогатевший Александр смог выкупить образ обратно и считал чудом тот факт, что родовая икона никуда не пропала за это время. В память об этом Березин построил в Мышкине на свои средства церковь. Он всю жизнь активно занимался благотворительностью и построил в общей сложности три храма - кроме мышкинского еще были построены церковь Вознесения Господня в Круглицах (сейчас Охотино) рядом с Мышкиным и в Санкт-Петербурге.
В 1830-е годы, после строительства нового Успенского собора, Никольский был сильно перестроен - на северной и южной сторонах появились портики с парными колоннами, изменился купол. В 1860-х гг. была полностью перестроена колокольня, уничтоженная в 1930-х годах.
В советское время Никольский собор использовался под Дом культуры. В 2003 году он был возвращен верующим, а с 2004 г. ведутся службы. В подвале собора представлена музейная экспозиция "Тайны VIII века". В доме церковного причта напротив собора открыт Музей семейных коллекций, в котором можно познакомиться с историей храма.
В соборе проведены значительные ремонтные и реставрационные работы. В сентябре 2010 года его посетил Святейший Патриарх Московский и всея Руси Кирилл в рамках поездки по городам Ярославской епархии, приуроченной к торжествам в честь 1000-летия Ярославля. Патриарх пожелал помощи Божией всем, кто принимает участие в восстановлении Никольского собора, и передал в дар храму икону святого преподобного Ионы Киевского.