Предложения о строительстве храма появились сразу после окончания войны. В сентябре 1856 года Александр II дал разрешение на сооружение храма на «добровольные пожертвования». Помимо М. И. Эппингера, приступившего к работе по благоустройству некрополя, князь В. И. Васильчиков привлекает к проектированию талантливого архитектора Алексея Александровича Авдеева (1819–1885).
Летом 1857 года А. А. Авдеев разрабатывает проект храма на Братском кладбище и передает его князю Васильчикову. Вначале его рассматривает Александр II. Проект был утвержден. Впрочем, в историческом путеводителе, составленным к пятидесятилетию Севастопольской эпопеи, под редакцией историка генерал-майора А. М. Зайончковского, говорится, что «проект храма первоначально составлен архитектором Шнейдером», но позже переработан Авдеевым.
В историческом путеводителе допущена неточность. На самом деле, проект храма был разработан архитектором Андреем Ивановичем Штакеншнейдером (22.02.1802 — 8.08.1865).
Сохранившийся эскизный проект на Братском кладбище, говорит о том, что он явно претерпел ряд изменений: пирамида стала выше, так как в ее верхней части поместили звонницу, крест — более массивным, в стенах появились узкие окна с сандриками.
В проекте звонница предполагалась над порталом: барабан с проемами, увенчанный крестом. Своей формой храм напоминает прославленные египетские пирамиды – символы вечности и покоя, обладающие огромной эмоциональной силой воздействия и как бы являющиеся продолжением жизни человеческой души.
5 сентября 1857 года были освящены и заложены первые камни храма во имя Святителя Николая Чудотворца. Под закладные блоки положили медали: «За защиту Севастополя» и «В память войны 1853–1856 гг». В августе 1861 года в Севастополь прибыл Александр II. С императрицей Марией Александровной и младшими детьми — Павлом, Сергеем, Алексеем и Марией он посетил Братское кладбище и Херсонесский монастырь, где заложил первый камень и установил деревянный крест в основание будущего храма в честь Святого Равноапостольного князя Владимира.
Храм на Братском кладбище благословили назвать именем одного из самых почитаемых в Православии святых — Николая Чудотворца (Мирликийского).А. А. Авдеев и члены комиссии, контролировавшие строительство всего комплекса Братского кладбища, рассчитывали возвести храм за три года. Никто не предполагал, что оно растянется на долгие тринадцать лет.
Работа продвигалась крайне медленно и, в основном, из-за нехватки средств. Пожертвования поступали из многих городов и разных уголков России. Присылали деньги офицеры и чиновники, родственники погибших воинов в Севастополе, солдаты и матросы. Но денег катастрофически не хватало.
Комиссия принимает решение о временном приостановлении строительства. Прекратили выплачивать жалованье А .А. Авдееву. Архитектор уехал в Петербург, а возвратившись, занимался некоторое время только возведением Владимирского собора. Критическое финансовое положение несколько спасла княгиня Татьяна Васильевна Васильчикова, пожертвовав в 1863 году двенадцать тысяч рублей и пообещав, что в последующие три года будет давать на строительство по столько же. Но уже в том же году комиссия приходит к выводу, что недостроенный храм требует ремонта. Из-за сырости местами отвалилась штукатурка, здание дало осадку, на стене появилась трещина, стали проседать гранитные ступени крыльца.
Осенью 1860 года, когда был установлен крест весом в 1500 пудов, вырубленный из диорита, добытого в районе Аю-Дага, поперечная часть его обломилась. К счастью, жертв не было, не сильно пострадало и здание: повреждение получили только фронтоны. Новый крест водрузили в феврале 1864 года, завершив, в целом, строительство храма в виде усеченной пирамиды. Она квадратная в плане ( 20,5 м), сложена из местного крымбальского известняка.
Высота пирамиды 27 метров. Ее основанием служит высокий цоколь, сложенный из квадров, обработанных крупным рустом. Квадры прочеканены свинцом, отлитым из пуль, собранных на местах сражений. С четырех сторон пирамиды находятся ризалиты. В них с севера на юг устроены окна вытянутых пропорций, в восточном ризалите, где помещается алтарь, окна отсутствуют. В толщину стен пирамиды врезаны узкие окна с сандриками, выше — арочные проемы с колоннами дорического ордена, ведущие в небольшую звонницу.
На гранях пирамиды вмонтированы плиты из темного гранита с перечислением воинских соединений, принимавших участие в обороне, временем пребывания в осажденном Севастополе и понесенных потерь. Напоминая о важном событии в военной истории Отечества, они удачно вписались в памятник, подчеркивая строгую индивидуальность храма-пирамиды.
24 мемориальные доски с наименованиями частей войск севастопольского гарнизона установлены к 50-летию первой обороны и на церкви Святого архистратига Михаила.
В 1870 году все строительные и отделочные работы были завершены и в присутствии генерал-адмирала Великого князя Константина Николаевича — младшего брата Александра II, храм Святого Николая освятили.
В августе 1898 года Братское кладбище и храм Святого Николая посетил Николай II с императрицей Александрой Федоровной и детьми.
Произведя вместе с генерал-адмиралом Великим князем Алексеем Александровичем и Великим князем Михаилом Александровичем смотры судов возрожденного Черноморского флота и войск на Куликовом поле под Севастополем, 23 августа император с Графской пристани переправился на Северную сторону.
В открытой коляске в сопровождении немногочисленной свиты императорская чета приехала к храму Святого Николая, где они слушали заупокойную литургию, которую совершал настоятель адмиралтейского собора, в сослужении протоиерея с яхты «Штандарт» и благочинного 13-й пехотной дивизии. При входе в церковь, их Величества были встречены священником, с крестом и святой водою. В 2 ч. 25 мин. окончилась литургия, и Государь император с Государынею Императрицей, при выходе из храма, изволили пешком обойти вокруг кладбищенской церкви.
Затем Их Величествам имели счастье представляться севастопольские герои кампании 1854–1855 годов, в числе 34-х человек, с которыми Государь Император и Государыня Императрица милостиво беседовали о севастопольской защите, расспрашивая их, в каких делах они принимали участие и какие имеют знаки отличия.
После этого их Величества изволили пешком проследовать по главной алее, ведущей к выходу, и по пути следования осмотрели памятники севастопольских героев: Тотлебена, Спицына, князя Горчакова, Хрулева и некоторые братские могилы. В 1910-х годах отремонтировали ограду кладбища и некоторые памятники.
Из Никитского ботанического сада привезли и высадили около 300 деревьев и 200 кустарников, в том числе роз. У дома священника соорудили ограду, устроили водоснабжение. В 1911 году симферопольский художник Николай Степанович Лапин промыл в храме мозаику. Но на этом работы на Братском кладбище завершились — и надолго. Грянул Семнадцатый год.
