Początkowo planowano budowę kamiennej katedry w Radomyślu na miejscu niedokończonej przez unitów. Potem podjęto decyzję zbudować nową. Przydzielono znaczną kwotę pieniędzy, architekt kijowski Jurgens w roku 1875 opracował projekt i kosztorys nowej cerkwi: kierował pracami budowlanymi architekt Rykaczow. Budownictwo nowej cerkwi zaczęło się w roku 1877. Kosztorys robót budowlanych wynosił 37950 rubli. Planowano budowę cerkwi za trzy lata, ale próba ta trwała do 1882 roku. Cerkiew została zbudowana w stylu moskiewskich świątyń namiotowych.
Nowa cerkiew stała się główną w Radomyślu i dostała nazwę Katedry Świętego Mikołaja. Poświęcono ją dnia 13 listopada 1883 r. przez Metropolitę Platona z dużą liczbą kapłanów.
Budowana była jednocześnie z Katedrą Włodzimierską w Kijowie. Także jednakowe jest malowanie wielu ścian, sufitów i plafonów w tych świątyniach. Dlatego istnieje założenie o prawdopodobieństwie autorstwa malowania Katedry Świętego Mikołaja przez W. Wasniecowa, M. Nesterowa i M. Wrubela.