Торжественная закладка собора на Якорной площади состоялась в присутствии императора Николая II и всей императорской семьи 8 мая 1903 года. По окончании молебна с орудий крепости и кораблей, находившихся на рейдах, был произведён салют в 31 выстрел. В тот же день император и его окружение посадили в сквере вокруг собора 32 годовалых дуба.

Собор возводился по проекту архитектора Василия Антоновича Косякова. В работе также принимали участие гражданский инженер Владимир Петрович Шаверновский и гражданский инженер Александр Иванович Виксель. Художник, педагог, директор Института гражданских инженеров Василий Антонович Косяков был строителем соборов в Санкт-Петербурге, Петергофе, Либаве, Астрахани, Батуми.

Морской Никольский собор изначально рассматривался как памятник «чинам морского ведомства, погибшим при исполнении служебного долга, а также способствовавшим развитию и славе флота». Сразу же было принято решение и об увековечивании памяти моряков на мемориальных досках-скрижалях. В этот список вошло около 1000 фамилий. Имена погибших в боях были записаны на доски по войнам, а погибших при кораблекрушениях и исполнении служебного долга заносились на доски по морям.

Собор строился десять лет – с 1903 по 1913 год. Он стал высотной доминантой не только Якорной площади, но и всего города.

Это величественное здание в плане подобно храму Св. Софии (VI в. н. э.) в Константинополе. При этом соотношение частей храма отличается от прототипа.

Главные размеры собора следующее: внешняя длина с крыльцами 83 метра, ширина – 64 метра. Сторона внутреннего центрального зала – 24 метра; пролеты главных арок – 23 метра. Высота до основания главного купола – 52 метра, а диаметр купола – 26,7 метра. Внешняя высота собора с крестом – 70,5 метра.

Собор не имел себе равных по отделке среди соборов своего времени. Снаружи стены облицованы гранитом, серовато-жёлтым кирпичом и украшены полированными наличниками и колоннами порталов, терракотовыми орнаментами, майоликовыми фризами, мозаикой.

Главный, западный, фасад собора подчёркнут внушительным порталом и двумя сильно выступающими боковыми ризалитами, завершающимися башенками-звонницами. Западный центральный портал украшен мозаичными изображениями Спаса Нерукотворного, двумя сюжетами из жизни святителя Николая Чудотворца, символами евангелистов и орнаментами.

Над боковыми порталами главного входа находятся иконы святых, которым посвящены приделы. Главный купол и купола звонниц украшены вызолоченными медными рельефными орнаментами. Северный и южный фасады украшают высокие арки и круглые окна-витражи.

В композицию здания очень гармонично входит система больших и малых полукуполов. Главный медный купол и купола звонниц обвиты рельефным орнаментом из якорей и спасательных кругов. Крест на куполе храма тоже несёт морскую тематику: он как бы слит с колесом штурвала.

В восточной части собора находятся ещё два входа, предназначавшиеся для духовенства, с богато декорированными бронзовым орнаментом дверями.

Центральный придел собора был посвящён святителю Николаю Чудотворцу, правый – во имя преподобного Иоанна Рыльского (в честь небесного покровителя святого праведного Иоанна Кронштадтского, который не дожил до освящения заложенного им храма), левый – в честь святых апостолов Петра и Павла.

Стены и своды внизу храма и на хорах покрывала роспись, которая имитировала разноцветную мозаику и фрески. Двухъярусные арки были украшены богатым орнаментом. По замыслу строителей, наверху храма было изображено небо, а внизу – море. Поэтому на полу из мрамора, окаймленного тонкой медной оправой, выложены изображения рыб, медуз, морских растений, корабликов.

Был очень красив иконостас из белого мрамора с мозаичными и бронзовыми вставками и удивительно тонкой ажурной резьбой. Византийский стиль был выдержан и в стенной росписи, и в иконописи, и в оформлении церковной утвари.

Собор вмещал 5000 прихожан и был вторым в России по величине, после московского храма Христа Спасителя.

Интересно, что здание собора было оборудовано по последнему слову техники того времени. Здесь была своя стационарная пылесосная станция, агрегаты и приборы систем отопления, вентиляции, электрооборудования. В соборе действовала автономная центральная система отопления. В подвале функционировали три главных масляных трансформатора. Сложная и оригинальная для того времени система освещения прекрасно дополняла великолепие внутренней отделки и производила на всех огромное впечатление.

До 1927 года в Морском Никольском соборе проводились службы, а потом сделали кинотеатр.

Затем в 1956 году собор превратили в клуб Кронштадтской крепости. Устроили концертный зал на 1250 мест с театральной сценой.

В 1974 году в соборе открылся филиал Центрального военно-морского музея.

В 2002 году собор был возвращен церкви и вскоре на соборной колокольне установлен семиметровый православный крест.

Впервые в восстанавливаемом Свято-Никольском Морском соборе в Кронштадте совершил божественную литургию Патриарх Московский и всея Руси Кирилл 20 ноября 2010 года.