Katedra została wzniesiona w latach 1843-1846 na miejscu starszej świątyni unickiej. W 1846 roku świątynię poświęcił metropolita wileński i litewski Józef. Była to największa prawosławna świątynia w mieście, w okresie międzywojennym jedna z dwóch czynnych w Białymstoku. Od 1992 roku przechowywane są tu relikwie św. Gabriela Zabłudowskiego. Budynek reprezentuje styl klasycystyczny, typowy dla architektury cerkiewnej Imperium Rosyjskiego II poł. XVIII wieku i pierwszych dekad XIX wieku. Wzniesiony został na planie krzyża greckiego.



Jest to budowla orientowana z zakrystią przylegającą do części ołtarzowej, jednoprzestrzenna z jedną nawą obejmującą trzy ramiona krzyża greckiego oraz pomieszczeniem ołtarzowym oddzielonej ikonostasem od części przeznaczonej dla wiernych.



Na zewnętrznych ścianach cerkwi znajdują się pilastry z doryckimi kapitelami, dekorowane motywami liści. Katedra posiada centralnie umieszczoną kopułę półsferyczną oraz wieżę-dzwonnicę nad przedsionkiem zwieńczoną kopułową hełmem i iglicą. Do świątyni prowadzą cztery wejścia: główne od strony zachodniej, dwa boczne od strony południowej i północnej oraz wejście do zakrystii. Trzy wejścia zwieńczone są symbolem promieniejącego krzyża. Główne wejście zdobi monumentalny portyk. Budynek ma łącznie 40 metrów wysokości.





We wnętrzu znajduje się trzyrzędowy, wykonany w całości z drewna ikonostas pochodzący z 1846 roku - dzieło szkoły Wileńskiej. Po jego obu stronach znajdują się postacie Jezusa Chrystusa Pantokratora i Matki Boskiej. Na wrotach diakońskich znajdują się ikony archaniołów Gabriela i Michała. Carskie wrota zdobią cztery okrągłe ikony z postaciami ewangelistów oraz dwoma owalnymi z przedstawieniem sceny Zwiastowania. Dwa wyższe rzędy zawierają po cztery ikony z cyklu dwunastu głównych świąt. Nad carskimi wrotami znajduje się alegoria Ducha Świętego w postaci gołębicy a nad nią wykonana w 1900 roku kopia Poczajowskiej Ikony Matki Bożej. Całość została zwieńczona ikoną przedstawiającą Ostatnią Wieczerzę.



Oprócz zawartych w ikonostasie ikon, w Soborze św. Mikołaja znajdują się także inne, pochodzące z różnych okresów. Szczególną wartość przedstawia znajdująca się w nawie północnej ikona Opieki Matki Bożej, znajdująca się w nawie południowej ikona św. Mikołaja i kopia ikony Matki Bożej „Wszystkich Strapionych Radość”. Od XVIII wieku szczególnym kultem otaczana była Białostocka Ikona Matki Bożej, wariant Smoleńskiej Ikony Matki Bożej. Została ona wywieziona w 1915 roku w głąb Rosji przez duchownych udających się na bieżeństwo. Jej dalsze losy nie są znane. Obecnie wizerunek ten zastępuje wierna kopia, wykonana po 1945 roku.



Wnętrze soboru zdobią freski wykonane w latach 1975-1976. Przedstawiają one: Chrystusa modlącego się w Ogrodzie Oliwnym (na ścianie północnej), Chrystusa kuszonego na pustyni (na ścianie południowej) oraz Narodzenie Pańskie i Ukrzyżowanie (nad oknami). Przy południowych drzwiach widoczne są postacie św. Jerzego Zwycięzcy i św. Pantelejmona, przy północnych zaś wizerunki świętych Barbary i Katarzyny. Na ścianie północnej, nad oknami widoczne jest wyobrażenie świętej Zofii z córkami Lubą, Wierą i Nadzieją, św. Marii Magdaleny, św. Anny i św. Onufrego. W zachodniej części nawy, nad oknami znajdują się postacie męczenników wileńskich, Sergiusza z Radoneża, Serafina z Sarowa i Hioba Poczajowskiego. Na ścianach w przedsionku przedstawiono sceny z życia św. Mikołaja z Miry (patrona soboru): ratowanie niesłusznie skazanych oraz dzielenie jałmużny. Nad chórem znajduje się fresk z przedstawieniem Sądu Ostatecznego, poniżej balkonu wizerunki świętych Cyryla i Metodego. W kopule głównej znajduje się wyobrażenie Deesis – Chrystus Pantokrator w otoczeniu Matki Bożej i św. Jana Chrzciciela. Na dwunastu filarach miedzy oknami umieszczono wizerunki apostołów. Z dekoracji malarskiej wykonanej przez Michaiła Awiłowa na początku XX wieku w soborze pozostał fresk z postacią Chrystusa Zmartwychwstałego w pomieszczeniu ołtarzowym.

Od początku istnienia świątyni znajdują się w niej trzy piece kaflowe, zaś w 1880 roku dostawiono pięć żelaznych.



W podziemiach cerkwi znajduje się druga świątynia, której patronem jest św. Serafin z Sarowa. Znajduje się w niej ikonostas z początku XX wieku składający się z czterech ikon: Chrystusa, Matki Boskiej, św. Serafina z Sarowa i św. Aleksandra Newskiego. Pierwotnie znajdował się on w cerkwi św. Serafina z Sarowa, która funkcjonowała w latach 1902-1918, a następnie została zamieniona na kościół katolicki. Ściany obiektu zdobi polichromia wyobrażająca wielkie święta prawosławia.

W przeszłości w podziemiach mieściły się pomieszczenia gospodarcze. Adaptacja podziemi na cele kultu została wykonana w latach 1955-1958. W dolnej cerkwi, co niedzielę od 2005 roku odprawiana jest Święta Liturgia w języku polskim. Od 2008 roku w obiekcie znajduje się ikona św. Serafina z Sarowa z cząsteczką relikwii.

Nieopodal Soboru, przy ul. św. Mikołaja 3 znajduje się dom biskupi w którym mieści się kaplica pw. Świętych Cyryla i Metodego.