Собор расположен в самом высоком месте Нового города. От площади, на которой стоит храм, отходит шесть улиц, и храм виден со всех сторон.
Высота храма до креста составляет 14,5 сажень (около 31 метра). Храм визуально устремлен вверх – крутые кровли, вытянутые шейки всех пяти глав храма. В плане храм имеет вид греческого креста (равносторонний крест) с концами, направленными с запада на восток, с севера на юг. Все конструкции храма – деревянные, стены выполнены из бревен в форме сруба; кровля восьмигранной центральной шатровой крыши, кровля пятигранной крыши апсиды и кровля четырехгранной крыши звонницы покрыты лемехом с закругленным концом; все луковичные главки: центрального шатра, апсиды и три главки звонницы, покрыты ананасной гранью; их высокие шейки выполнены в форме резных колонок; все стойки и наличники – наборные; фронтоны украшены резьбой; окна с витражами прикрыты узорчатыми резными решетками. Из-за темного цвета бревенчатых стен Свято-Николаевский собор называли «шоколадным». В ограде собора росло много деревьев и кустов сирени. С северной стороны храма в ограде находится Иверская часовня.
Храм вмещал до 500 прихожан. Высота подшатрового пространства 8,7 сажень (около 19 метров). Внутри собора - роскошный двухъярусный иконостас, большие стенные иконы «Сошествие святого духа» и «Пресвятая троица», основная святыня храма – большой образ «Святителя Николая».
Строительство храма Свято-Николаевской церкви началось весной 1889 года. Строительство велось по проекту архитектора И. В. Подлевского под руководством инженеров А. К. Левтеева и В. К. Вельса, техников С. О. Люро и Е.П. Ярилова и специалиста кровельщика Т.А. Головизнина. Иконостас, иконы и церковная утварь изготовлялись в России, шесть колоколов были отлиты в Ярославле на заводе П. А. Оловянишникова. Храм был освящен 18 декабря 1900 года. Стены храма расписывал художник Д.И. Глущенко.
Храм был освящен 1 октября 1899 года, о чем свидетельствует железная доска, установленная на восточной стене храма.
Тем не менее, в литературе указывается, что торжественное освящение храма состоялось 5 (18) декабря 1900 года. Храм был еще раз освящен в 1913 году после ремонта. С 29 февраля 1908 года Свято-Николаевская церковь была преобразована в Собор, а с учреждением в Харбине в 1922 году самостоятельной епархии собор стал кафедральным.
В 1933 году по проекту и под руководством архитектора Е. А. Уласовца в ограде храма построена Иверская часовня.