Основание церкви, по свидетельству одного старинного сказания, относится ко времени царя Иоанна Грозного, а именно к 1554 году. В этом году, по преданию, в Вологду из Вятской области, с Великой Реки, была принесена икона Святого Николая Чудотворца Великорецкого. По этому случаю в Вологде во имя этого Угодника был построен новый деревянный храм, в котором святая чудотворная икона была установлена в 1555 году, по царскому повелению.
В начале XVIII века (по другим данным-в период 1750-1780 гг.) на ее месте был построен каменный храм. Церковь была одноэтажной, одноглавой и находилась в связи с колокольней, устроенной над папертью.
Главный корпус церкви служил холодным храмом, в нем находился престол во имя Нерукотворного образа Господня (он был освящен в 1811 году Преосвященным Евгением, епископом вологодским). По названию этого древнейшего престола в старинных окладных книгах церковь писалась: "Храм Нерукотворного Образа Господня и Николая Чудотворца, на извести". С западной стороны к главной части храма примыкало второе отделение - теплая церковь с придельными престолами: справа - во имя Святого Николая Чудотворца, слева - во имя Преподобного Кирилла Новоезерского.
Церковь Николая Чудотворца оставалась приходской до 1826 года. К этому времени многие приходские дома вокруг нее были уничтожены, а оставшиеся прихожане были не в состоянии содержать церковь, и она пришла в упадок.
В 60-х годах XIX века церковь Николая Чудотворца усилиями вологжан была возобновлена снаружи и полностью перестроена внутри в связи со сменой посвящения. В 1869 году она была переосвящена в церковь Святого Благоверного князя Александра Невского, в память события 4 апреля 1866 года (неудача покушения Д. Каракозова на Александра II).
С 1920-х гг. храм был закрыт. Службы в нем возобновились в 1997 году. С 12 сентября 2002 года шесть новых колоколов украшают церковь Александра Невского (до этого там был только один колокол).
Самый большой колокол этой звонницы весит около 130 килограммов. Ровно через год к ним добавился еще один колокол весом 260 килограммов. 6 мая 2004 года, в день преподобного Георгия Победоносца, в церкви Александра Невского был открыт мемориальный комплекс памяти воинов-вологжан, погибших в Афганистане и Чечне. 176 фамилий высечено золотыми буквами на мраморных плитах.