Архитектором Владислав Городецкий. Для постройки он использовал новый для того времени строительный материал - железобетон. По назначению костел начал использоваться сразу как был освящен в 1909 году. 1933 год стал для Николаевского костела очень тяжелым - он был закрыт и разграблен, а все духовенство было подвержено репрессиям. 
Во времена Второй мировой войны здание костела использовалось как склады. В 1943 году храм сильно пострадал от артиллерийского обстрела. После частичной реставрации в помещении костела был размещен Киевский государственный областной архив. С 1980 года и по нынешнее время Николаевский костел эксплуатируется как концертный зал Дома органной и камерной музыки.