Католический храм был построен в 1899 году на пожертвования прихожан-католиков – жителей города Царицына. Он был возведен в псевдоготическом стиле, для кладки использовался жжёный кирпич, для фундамента – камень. Главный фасад был богато украшен, а над входом возвышалась, увенчанная шпилем, башня в готическом стиле с колокольной звонницей.
В 30-х годах храм был закрыт и разграблен. Тогда же власти приняли решение о ликвидации католического прихода и передаче помещения в пользование Осоавиахима (общество содействия обороне, авиационному и химическому строительству, позднее ДОСААФ) под устройство клуба. В 1960-1980 гг. в здании находился клуб железнодорожников им. Жданова.
Возрождение католической общины началось 90-х гг., при содействии о. Альфреда Манько, приехавшего в Волгоград из Польши. Полуразрушенное здание и небольшая часть территории были переданы в пользование католическому приходу. В течение нескольких лет здание храма было восстановлено почти в первоначальном виде. Все работы по дереву выполнены семьей итальянского скульптора Грациано Гроссрубатшера.
4 мая 1997 года состоялось освящение восстановленного храма. К этому дню представители Ватикана доставили в Волгоград частицы мощей св. Николая, и церковь была освящена во имя св. Николая Мирликийского.
В 1999 году торжественно отмечалось столетие храма. В настоящее время здание является памятником архитектуры и находится под охраной государства.
