Первое упоминание о церкви на месте современного храма относится к 1547 году. Это была деревянная церковь святой Троицы в Старых Кузнецах. В 1625 году храм сгорел, а на его месте была построена деревянная церковь Николая Чудотворца в Котельниках. Название церкви, как и района, Котельники связано с местом проживания котельников, производивших котлы для готовки.
В 1657 году на средства купцов Строгановых деревянное строение заменяют каменным храмом. В новом Никольском храме была устроена родовая усыпальница храмоздателей. В 1688 году церковь вновь перестраивается и устраивается новый придел. Главный престол церкви был освящен во имя святителя Николая, придел во имя преподобных Зосимы и Савватия Соловецких. С годами церковь обветшала, а позже сильно пострадала при пожаре 1812 года.
В 1822-1824 гг. по проекту О.И. Бове была возведена новая церковь в стиле ампир. Здание построено на средства князя С.М. Голицына в память его предков Строгановых. Храм расположился на склоне Швивой горки и был рассчитан на восприятие как с берега реки, так и с переулка, проходящего вдоль её фасада. На южной стороне церкви находятся три барельефные композиции: вход в Иерусалим, поклонение волхвов, избиение младенцев.
В 1873 году на средства вдовы дьякона Евдокии Виноградовой был устроен новый придел мученицы Евдокии (в трапезной). Очередная перестройка храма прошла в 1892 году под руководством архитектора Н.П. Маркова.