1) Первый храм

В 1841 году в здании казарм Образцового Кавалерийского полка была устроена Никольская церковь. После перевода в 1868 году воинского подразделения в Санкт-Петербург, здесь разместилась 5-я батарея гвардейской конно-артиллерийской бригады, которой и отошёл храм.

Типовая церковь находилась в деревянной воинской казарме, над входом - возвышался небольшой крест. Храм был холодным, богослужебные книги отсутствовали. Иконостас в Никольскую церковь был перенесён в 1865 году из Знаменской церкви Царского Села. Официально до 1898 года храм именовался церковью 5-й батареи гвардейской конно-артиллерийской бригады, а с 26 октября (7 ноября) 1898 года церковью гарнизона города Павловска.

Постоянного священника в храме не было, и богослужение совершалось приходскими священниками по приглашению военного начальства. В декабре 1894 года к храму был прикомандирован священник Иоанн Жемчужин, а сама церковь была приписана к Сергиевскому всей артиллерии собору.

2) Проекты нового храма

В 1895 году предполагалось произвести ремонт всех гарнизонных построек. Здание, в котором размещался храм, планировался к разборке, а в будущем плане построек церковь отсутствовала. Вопрос сохранения храма затруднялся также тем, что он был внештатным, а священник — прикомандированным. В ответ на запросы о строительстве нового храма поступил отказ. В 1898 году отца Иоанна поддержала одна из жительниц города, которая передала прошение военному министру А. Н. Куропаткину. Результатом стал приказ № 259 по Военному ведомству от 5 (17) октября 1898 года о возведении в штат Никольской церкви.

Получив благословение от отца Иоанна Кронштадтского, священник Иоанн Жемчужин стал собирать средства на постройку нового храма. Первым жертвователем стал святой праведный Иоанн Кронштадтский.

Согласно первому проекту конца 1898 года постройка храма должна была быть недорогой. Однако согласование эскиза с владельцем Павловска — великим князем Константином Константиновичем затянулось. В итоге великий князь не утвердил этот проект, потребовав «строить церковь художественную, красивую».

Второй проект, составленный академиком архитектуры А. А. Карбоньером, также не понравился Константину Константиновичу, изъявившему желание построить храм наподобие церкви по имя иконы Божией Матери «Всех скорбящих Радость» на Фарфоровском заводе, к архитектору которой, А. И. фон Гогену, священник Иоанн Жемчужин и обратился.
Эскизы нового Никольского храма были безвозмездно выполнены в 1899 году. 11 (23) марта 1900 года проект был утверждён Константином Константиновичем, храму был предоставлен участок земли рядом с местом старого храма.

3) Закладка и окончание строительства

18 (30) июня 1900 года состоялась торжественная закладка храма. 

Освящение в основном законченного Никольского собора совершил 15 (28) августа 1902 года протопресвитер военного и морского духовенства Александр Желобовский в присутствии членов императорской фамилии.

После освящения храма по личному ходатайству великого князя Михаила Александровича должность настоятеля стала штатной. Полностью строительство храма было окончено к 1904 году.
Деревянный храм был разобран в 1902 году. Позднее на месте его алтаря был установлен чугунный крест.

4) Внешний вид

Пятиглавый собор — квадратный в плане с выступающими полукруглой апсидой и колокольней – построен в «русском стиле». Стены выполнены из французского красно-коричневого кирпича с оштукатуренными декоративными элементами. Длина храма 32 м, ширина — 19,5 м, высота с крестом — 32 м. Храм рассчитан на 1000 молящихся.

По углам здания возвышаются шатровые башни, украшенные двуглавыми орлами. С трех сторон были размещены три образа покровителей артиллерийских батарей, располагавшихся в Павловске: святителя Николая Чудотворца, Михаила Архангела и великомученика Георгия Победоносца. Центральный крест ажурный, имел вставки из шлифованных стёкол. 

Дубовый резной иконостас «в русском стиле XVII и XVIII веков» был устроен по проекту художника Субботина. Образы для иконостаса были написаны Порфировым. Образы на Царских вратах расписаны на фарфоре художницей Зедергольм. Стены и своды храма были также расписаны.Колокола были изготовлены в Санкт-Петербурге. Самый большой колокол весил 2,7 тонн. Современный главный колокол был отлит в декабре 2001 года на Балтийском судостроительном заводе.

5) Закрытие храма 

Первая попытка закрыть храм была предпринята 7 ноября 1930 года по предложению президиума Ленинградского горисполкома, однако она была пресечена прокуратурой республики. Окончательное закрытие состоялось 20 ноября 1933 года по постановлению Леноблисполкома. Церковь была передана под клуб находившейся рядом 32-й моторизованной бригады, а затем превращена в склад и мастерскую по ремонту бронетехники, которая въезжала в храм, проламывая двери и стены.

Храм сильно пострадал в период Великой Отечественной войны от обстрелов. Однако в конце 1941 года в церкви возобновились службы, которые продолжались до конца 1943 года.
После войны в храме снова разместились мастерские. Помещение было переоборудовано: в стены были вбиты горизонтальные металлические балки для подъёма техники, в абсиде был устроен дополнительный вход. С 1960-х годов в церкви был устроен военный склад, установлена внутренняя стена. В 1987 году здание храма было взято под государственную охрану как памятник архитектуры местного значения.

6) Возвращение

 Возвращение церкви верующим состоялось в 1991 году: 6 мая 1991 года в храме, ставшим собором, был отслужен первый молебен, а 29 июня — Божественная литургия. Восстановление храма, который в августе 2002 года отметил своё 100-летие, проводилось более 10-ти лет. В 1995 году собор был включён в число объектов исторического и культурного наследия федерального значения.

На территории собора находится могила протоиерея Иоанна Жемчужина, восстановленная в новейшее время. 20 ноября 2011 г. рядом с храмом был открыт бронзовый бюст-памятник Императору Николаю II (скульптор С. Ю. Алипов). При соборе действуют швейная мастерская и церковно-приходская школа.