Первый православный храм в Килие -- Святого Иоанна --был построен византийцами еще в 11-м веке (1077 г). Во времена правления молдавского господаря Стефана Великого на этом месте был сооружен (1464-1479) большой храм Святого Николая, который, по всей вероятности, разрушили турки-османы. На его месте в 1485-1489 годах молдаване построили полуподземный храм Святого Николая, который сохранился до нашего времени. В Османской империи немусульманские храмы строить разрешали, но не выше 2,5 метров (по одной версии, чтобы они не превышали высоту турецкого всадника верхом на коне с копьем, по другой - чтобы не возвышались над турецкими мечетями). Поэтому большая часть здания православной церкви располагалась под землей.

Освещалась церковь только свечами, в результате стены были покрыты толстым слоем копоти, что позволило в сохранившихся церквях при реставрации восстановить росписи того времени.
Церковь перестраивалась в 1640-е годы на средства молдавского господаря Василия Лупула — тестя Богдана Хмельницкого. Храм был украшен внутри и снаружи белым мрамором, привезенным из Греции. Колокольню в стиле необарокко построили значительно позже – в 1891 году.

В советское время храм был закрыт, его использовали как угольный склад, а потом и совсем забросили, превратив в мусорную свалку. Мраморную облицовку сняли. Церковный колокол использовали на местном пароме. В 1992 году храм восстановили и службы были возобновлены – здесь вновь поют певчие, а полы устланы коврами по старой молдавской традиции.