S:t Nicolai kyrkas äldsta delar är från 1200-talet. Kyrkan brann flera gånger under perioden från slutet av 1500-talet fram till 1719. På sommaren 1719 totalförstördes kyrkan. Efter denna brand påbörjades ett restaureringsarbete som bland annat resulterade i den magnifika altartavlan, den överdådiga predikstolen och den utsmyckade orgelfasaden från den gamla Cahmanorgeln.
I början av 1920-talet genomfördes en genomgripande restaurering. Altaret flyttades från den östra ytterväggen till ett nykonstruerat kor med koromgång. All fast inredning såsom bänkar, koromgång, korstolar tillverkades av NK:s verkstäder i Nyköping. S:t Nicolai kyrka fick genom denna ombyggnad ett mycket enhetligt och för gudstjänst välfungerande rum.
Under 1900-talet har en rad mindre restaureringar ägt rum men planlösning och inredning är den som tillkom på 1920-talet. Senaste ombyggnad skedde under hösten 2002, då ett kyrktorg skapades och orgelfasaden på den gamla Cahmanorgeln fick en bättre placering.
Den cirka 1300 m2 stora kyrkan har plats för cirka 600 besökare.
Över Stora torget i Nyköping ljuder varje dag klockan 9, 12, 15 och 18 en psalm från kyrkans klockspel.