Время постройки храма неизвестно.

Однако возведена она была на фундаменте старинной греческой церкви и, по достоверным сведениям, именовалась во имя Св. Николая Чудотворца. Размеры ее были довольно велики для того времени: высота -7,3 м, ширина-14,2 м, а длина-15 м.

Церковь вмещала до 600 молящих. После присоединению Крыма к России службы в церкви продолжались еще несколько лет, но затем были прекращены — по недостатку духовенства, сама церковь была превращена в склад казенного фуража и провианта.

С 1811 г. было принято решение о возобновлении богослужений в храме. Храм был освящен как соборный храм Феодосии. Градоначальник Феодосии Семен Броневский на свои средства пристроил к нему с трех сторон притворы с навесами, а над притвором с западной стороны - деревянную колокольню.

В 1820 году ремонтом и реконструкцией церкви руководил Таврический архитектор Леммерман Мейстер Иоганн. Еще раз храм перестроили в 1850 году: под руководством архитектора Никифора Черкунова деревянная колокольня была разобрана и вместо нее выстроена каменная.

В 1861 году, во время своего визита в Феодосию, собор посетил император Александр II.

В 1873 году церковь была передана полку и стала именоваться «военной», ее освятили во имя Святителя Николая Чудотворца, архиепископа Мирликийского. На средства полка Николаевская церковь была обновлена и на стенах в 1888 году были размещены доски с именами павших в боях Виленцев.

Осенью 1914 года в связи с убытием полка на фронт Николаевская церковь была передана 35-му запасному пехотному полку, размещенному в Виленских казармах.

В 1924 году церковь была разрушена.