St. Nikolai blickt auf eine wechselvolle Baugeschichte zurück. Wenige Jahrzehnte nach der Ersterwähnung Grevesmühlens 1230 begann man mit dem Bau der heutigen Kirche, die in Teilen an die Kirchen in Ribnitz und Malchin und mit dem ursprünglich quadratischen Chor an den Güstrower Dom erinnerte. Turm und Seitenkapellen entstanden Anfang des 14. Jahrhunderts, Mitte des 15. Jahrhunderts folgte die Südvorhalle. Dem Stadtbrand von 1659 fiel u. a. der Turm zum Opfer, dessen Obergeschoss und Helm aber erneuert werden konnten. Nach einem Blitzeinschlag im 17. Jahrhundert erhielt der Turm die heutige Zeltdachform. 

1870/72 musste die Kirche wegen stark wachsender Bevölkerungszahlen vergrößert werden. Nach den Plänen des Schweriner Architekten Theodor Krüger und gegen den Widerstand des Landesdenkmalpflegers sowie lokaler Historiker erfolgte die Vergrößerung des Schiffes auf Kosten des alten Chors. An das verlängerte Schiff fügte man einen neuen, achtseitigen Chor mit Kapellen an.

1983 erhielt die Kirche Buntglasfenster, und 1987/88 erfolgte die Neueindeckung des Daches. Möglich wurde dieses in den Jahren der DDR im Grunde undenkbare Vorhaben durch eine Spende des gebürtigen Grevesmühleners Friedrich Harms (Herford).

Die dreischiffige Hallenkirche ist von steilen Kreuzrippengewölben überdeckt. Ältestes Stück der Kirche ist ein spätromanischer Taufstein aus gotländischem Sandstein aus den ersten Jahrzehnten des 13. Jahrhunderts, der erst 1966 wieder im Chor aufgestellt wurde. Die Triumphkreuz-Gruppe aus dem 15. Jahrhundert stammt ursprünglich aus der Heiligengeistkirche Wismar. Die dekorative Ausmalung erfolgte 1872; in diesem Jahr erhielt die Kirche auch ihre Friese-Orgel.

1659 gingen beim Stadtbrand die Glocken verloren. Der Wismarer Glockengießer Adam Dankwart erneuerte sie 1666; eine von ihnen ist erhalten. Seit 1960 ruft eine Eisenhartgussglocke mit Durchmesser von 110 cm zum Gottesdienst. 

Oberhalb des Südportals befindet sich eine ca. 90 cm x 75 cm hohe, als Sonnenuhr gestaltete Kalksteinplatte. Sie stammt vermutlich aus dem 16./17. Jahrhundert. Die Kirchgemeinde ließ die mehr als 400 Jahre alte Sonnenuhr, eine der wenigen in Nordwestmecklenburg, 1997 durch Grevesmühlener Handwerksbetriebe sanieren. 

Bis 1972 befanden sich im südlichen Kreuzarm der Kirche große Gedenktafeln für die Gefallenen des 1. Weltkrieges. Sie wurden 1972 bei den baulichen Veränderungen in der Kirche beseitigt. Statt ihrer wurde eine Tafel zum Gedenken aller Gefallenen und aller Opfer beider Kriege angebracht.

Die Uhr mit einem Schlossscheibenwerk wurde 1973 eingebaut. Sie schlägt zur halben und zur vollen Stunde.

Seit dem Treppeneinbau 2012 ist die Besteigung des 45 Meter hohen Turms für Besucher möglich. Die Sankt-Nikolai-Kirche bildet u. a. durch Sommerkonzerte ein kulturelles Zentrum für Grevesmühlen.