Расписная церковь, стоящая на пригорке, ярко выделяется среди окружающих зданий – даже поздняя застройка не заслонила её и не уменьшила её значение в формировании облика района.

В 1620-х годах на юго-запад от Москвы, ограниченной в то время по линии современного Садового кольца, была переселена Хамовная слобода – поселение ткачей, изготовлявших «хам», белое полотно высокого качества. Рядом располагалась слобода кремлёвского Чудова монастыря – Чудовка. В этой местности находилась и деревянная церковь во имя святого Николая Чудотворца, впервые упомянутая в 1625 году, но, как предполагают исследователи, основанная гораздо раньше. В 1657 году церковь названа уже каменной. Наконец, в 1679 году по указу царя Фёдора Алексеевича несколько в стороне от прежнего места началось возведение новой каменной церкви, завершившееся в 1682 году. А к 1694 году были достроены трапезная с приделами и колокольня – так храм святого Николая Чудотворца в Хамовниках приобрёл существующий внешний облик.

Церковь возведена по традиционной структуре: вытянутая по горизонтали, она начинается с запада колокольней, продолжается длинной трапезной, основным храмом, увенчанным пятиглавием, и заканчивается тремя алтарными выступами. В то же время в её фасадах есть и черты «нарышкинского барокко», но главная ценность внешнего убранства церкви – многочисленные изразцы, обильно использованные на фасадах: это и зелёные «муравленые» изразцы, вставленные по три штуки в каждый кокошник основного храма, и многоцветные «поливные» изразцы в ширинках шатровой колокольни. Прорезанная в шатре 32 окошками-слухами, она является одной из самых высоких шатровых колоколен Москвы. На северной стене церкви сохранились каменные надгробные таблицы XVIII века, напоминающие о былом приходском кладбище.

В трапезной в 1694 году был освящён придел в честь митрополита Алексия – выбор наименования был связан с Чудовской слободой, так как именно митрополит Алексий был основателем Чудова монастыря в Кремле. В 1757 году добавился придел святого Димитрия Ростовского, для пристройки которого трапезная была расширена с севера. Это связано с увеличением числа прихожан: в XVIII веке продолжался бурный рост Хамовной слободы, на её основе вместе с Государевым суконным двором основана Казённая полотняная фабрика, затем голландец Иван Тамес создал фабрику парусинных и лентовых материалов. Однако в начале XIX века текстильное производство из этой местности почти полностью было выведено (о нём сегодня напоминают только палаты Хамовного двора на улице Льва Толстого), а его место заняли Хамовнические казармы и другие здания военного ведомства.

Во время Отечественной войны 1812 года храм пострадал изнутри, но вскоре был восстановлен. В 1840-х годах появилась новая настенная роспись. В 1872 году вместо Димитриевского был устроен придел иконы Божией Матери «Споручница грешных».

В ХХ веке Никольская церковь не закрывалась и сохранила своё убранство почти нетронутым (за исключением утраченного в 1922 году при изъятии церковных ценностей). Даже расширение соседней улицы и создание Комсомольского проспекта не затронули её – лишь ограда в 1959 году была перевезена ближе к самому храму. Сохранились и старинные колокола, в том числе колокол 1685 года. Время сильно переменило Хамовную слободу, и только церковь святого Николая Чудотворца более 300 лет остаётся на своём месте.