Огражденный участок стрех сторон укреплен подпорными стенками. Храм построен из кирпича вместо сгоревшей в 1703 году деревянной Дмитриевской церкви, упомянутой впервые в 1615 году. Одна из старейших церквей Воронежа строилась в Напрасной слободе с 1712 года по 1720 год с главным престолом во имя Николая Мирликийского и престолом Дмитрия Солунского в трапезной. В 1749-1755 годах церковь перестраивалась после пожара. Очевидно, тогда же была сооружена отдельно колокольня. В 1830 году купец А.С. Мещеряков устроил с южной стороны трапезной придел в честь своего покровителя митрополита Алексия. В 1836 году на средства Ляпиных было произведено расширение трапезной к северу для устройства рядом с Дмитриевским приделом придела в честь Толгской иконы Божией Матери, творившей чудеса во время эпидемии холеры 1831 года. При расширении церкви были повторены первоначальные формы декора. На рубеже XIX-XX веков к западной стене трапезной был пристроен объем, включивший старую паперть. По сторонам от нее разместились караульное помещение и помещение для церковноприходской школы. Во время Великой Отечественной войны были уничтожены два верхних яруса колокольни и повреждены стены трапезной. В 1943 году в церкви была возобновлена прерванная в 1940 году служба. В 1949-1952 годах проведено восстановление здания по проекту архитектора Б.Н. Зотова, вновь появились ограда и ворота с запада рядом с колокольней (первая кирпичная ограда была построена в 1768 году). В 1990-е годы возведен ряд церковных сооружений, оформивших южную сторону двора. Во дворе к востоку от алтаря находится могила архиепископа Воронежского и Острогожского Ионы (Орлов, 1866 - 1945).

В высокую ограду двора встроена колокольня, которая стоит по оси храма, выше его по рельефу. При подходе из города колокольня кажется значительно более высокой, чем храм, хотя почти равна ему по высоте. Церковь и колокольня относятся к стилю барокко, включающему в провинциальных русских городах первой половины XVIII века черты «нарышкинского» барокко конца XVII века и петровского барокко начала XVIII века.

Никольская церковь - один из интереснейших памятников архитектуры барокко в Воронеже - состоит из храмовой части, алтаря такой же ширины с апсидой, выступающей с севера прямоугольной трапезной, и поздней пониженной западной пристройки. Монументальный основной объем храмовой части представляет собой ярусное сооружение типа «восьмерик на четверике», состоящее из двухсветного четверика и трех последовательно уменьшающихся восьмериков, завершенных восьмигранным барабанчиком небольшой главки. Восьмерики покрыты купольными кровлями, причем нижняя наиболее высокая - с характерным гуськовым изломом. Вертикальность композиции усиливается подчеркнуто осевым построением фасадов. В четверике ось акцентирована более крупными проемами (дверь и окно) и «полуглавием»; в нижнем восьмерике по сторонам света - крупными люкарнами с фронтонами. Эта выразительная композиция идентична композиции строившейся тогда же церкви Иоанна Воина на Якиманке в Москве. Проемы нижнего яруса четверика, трапезной и апсиды обработаны в формах «нарышкинского» барокко: помещены в перспективную рамку и заключены в наличники с разорванным фронтоном. Окошечко с кокошником на южной стене алтаря и поребрик, фрагментарно сохранившийся в карнизе трапезной, стилистически характерны для московской архитектуры предыдущих десятилетий. Ордерная обработка верхних объемов, а также окна в профилированных рамах и ниши под ними относятся к петровской архитектуре в упрощенной плоскостной трактовке. Декоративные формы западной пристройки включают заимствованные из древнерусской архитектуры килевидные завершения арочных окон, а также мощный перспективный портал с колонками-кубышками по сторонам.

Необыкновенно динамично внутреннее пространство храма, где стены восьмериков плавно переходят в восьмигранные своды криволинейных очертаний. Одностолпная трапезная перекрыта пересекающимися сводами с распалубками над окнами. В трехчастном алтаре и притворе - цилиндрические своды. Настенная роспись маслом, резной иконостас и предметы убранства относятся ко второй половине XX века.

Четырехъярусная колокольня в первом ярусе прорезана широкой проездной аркой. Декор двух массивных нижних ярусов - мелкорустованные пилястры, фигурные накладки по сторонам окон - характерен для петровского барокко. Два верхних яруса, четверики со скошенными и чуть вынутыми углами, завершены куполами и декорированы с более тщательной проработкой ордерных форм и использованием лепных деталей. По их углам помещено подобие барочных волют.

Церковь действующая. Реставрация храма проводилась на средства епархии в 1980-е и 1990-е годы.