Николаевская церковь в Вильно относится к типу храмов –форпостов, это еще один эволюционный тип культового оборонительного сооружения в архитектуре ВКЛ. Обычно храмы данного типа размещались на территории города и не были укреплены, а в качестве обороны использовалась лишь башня-звонница, которая стояла отдельно либо была пристроена к храму. Так же к храмам данного типа относятся церкви, где по углам главного фасада размещались оборонительные башни.
Николаевскую церковь еще называют Церковью Перенесения мощей святителя Николая Чудотворца или Церковью во имя святителя Николая. Историки предполагают, что первоначально она была построена из дерева при Гедимине. Позже, приблизительно в 1350-ом году, вторая жена Великого князя Литовского Ольгерда Ульяна на месте ветхого деревянного здания построила новый каменный храм на собственные средства.
К началу XVI века Николаевская церковь пришла в упадок, и гетман ВКЛ Константин Острожский по разрешению Великого князя Литовского и короля Польского Сигизмунда I на каменном фундаменте старой церкви построил новую cэлементами готики. По размещению в интерьере лопаток видно, что это, вероятно, была крестово-купольная четырехстолбовая трехапсидная постройка. Дополнительная пара столбов размещалась на линии основной и алтарной части церкви.
Возле юго-западного угла Николаевской церкви была пристроена многоярусная башня-звонница с узкими проемами, которые можно было использовать как бойницы. Об оборонительном характере башни-звонницы так же говорит тот факт, что снаружи она не имеет входа, он сделан внутри храма в западной стене. В начале XVII века Николаевская церковь в Вильно по приказу короля Речи Посполитой Сигизмунда III Вазы была передана униатам.
Из-за пожаров в 1747-1748 гг. храм сильно пострадал. Скорее всего тогда и обвалился готический свод основного объема, от него осталась лишь часть над алтарем. В процессе ремонта основной объем был перекрыт цилиндрическим сводом с распалубками, также была надстроена башня-звонница, а фасад сделали в барочном стиле.
В 1839 году Николаевская церковь в Вильно вновь была передана православным. К 1866 году храм вновь был перестроен в русско-византийском стиле по проекту архитекторов Рязанова и Чагина.
В наше время Николаевская церковь состоит из однонефового объема размером 10,3 на 13,5 метров, эти размеры сохранились в первоначальном виде. К главному фасаду примыкает башня-звонница, притвор и каплица.