Впервые церковь упоминается в документах 1625 года. Соорудили её жители небольшой слободы «государевых плотников». После Смутного времени и сожжения Москва начала заново строиться; выросла нужда в плотниках — даже новому государю, первому Романову негде было толком поселиться в Кремле. На Арбате появилась обширная слобода дворцовых плотников, они и выстроили деревянную церковь Николая Чудотворца, постепенно получившую прозвание Плотницкой (в Плотниках).
В 1670—1677 годах церковь была перестроена в каменную одноглавую. Каменный храм с главным Троицким престолом был построен в по грамоте патриарха Иоакима и значился „в Плотнической слободе”, что свидетельствует в пользу версии о плотниках, живших тут в пик расцвета арбатских дворцовых слобод. Трехъярусная колокольня датирована 1771 годом. За годы существования к церкви неоднократно пристраивались престолы, трапезные и приделы (придел Николая Чудотворца выстроен в 1692 году, придел Балыкинской Божией Матери — в середине XIX века). В XVIII веке у церкви Николы в Плотниках расположилось владение боярина Василия Ивановича Стрешнева (1707—1782) — государственного деятеля, камергера, сенатора, одного из родственников Евдокии Стрешневой, второй жены царя Михаила Федоровича; сразу по свадьбе захудалый род Стрешневых вошел в фавор.
Этот храм помнил маленького А. С. Пушкина. В начале 1807 года семья будущего поэта жила в Кривоарбатском переулке, в приходе храма Николы в Плотниках, и маленький Пушкин был его прихожанином, что осталось в записях исповедных книг. Среди прихожан Николы в Плотниках была семья славянофильского философа А.С. Хомякова, хотя духовником самого А.С. Хомякова остался отец Павел Беневоленский из храма Николы Явленного (у Серебряного переулка), стоявшего неподалеку, на другой стороне Арбата, где ранее проживали Хомяковы по адресу Арбат, дом 23; тем не менее остальные члены его семьи при перемене адреса предпочли ходить поближе, к Николе в Плотниках, причем даже подружились с её священником: узнав, что жена священника больна чахоткой, Хомяковы подарили ей упитанную корову, чтобы у нее всегда было парное молоко. В этом же храме был крещён сын Хомяковых, Николай, крестным отцом которого стал Гоголь.
В годы революции настоятелем храма Николы в Плотниках был протоиерей Владимир Воробьёв, дед современного священника Владимира Воробьёва, нынешнего ректора Свято-Тихоновского богословского института. Вскоре он был арестован. Пока он находился под арестом, в Никольско-Плотниковом храме служил иеромонах Варлаам (в 1937 году расстрелянный на Бутовском полигоне; причислен к лику святых). Однако в марте 1925 года Владимир Воробьев был освобожден из тюрьмы. С 1927 года близ Николы в Плотниках жил М.Н. Нестеров, ставший его прихожанином; художник подарил в храм Распятие своей работы. Некоторое время прихожанин и даже алтарником храма был известный механик Н. Н. Бухгольц.
В 1929 храм закрыт, а в 1932 году снесён. Протоиерей Владимир Воробьёв погиб в 1940 году в заключении. На месте храма в 1935 году возвели жилой дом.