El primer testimonio de la iglesia de San Nicolás se remonta al año 1097, como dependencia del Monasterio de San Miguel de la Verruga. Según la tradición erudita, posiblemente con fundamento, la iglesia fue fundada por el marqués Hugo de Tuscia a finales del siglo X en una zona fuertemente connotada por la presencia de edificios de propiedad de los marqueses.
El primer orden la fachada contiene elementos típicos del estilo del arquitecto Buscheto (siglo XI): los arcos ciegos sostenidos por pilastras como marcos de los portales, la alternancia de losanges y óculos, los revestimientos de mármol con franjas blancas y negras, un claro ejemplo de románico pisano. Se desconoce la solución prevista para el segundo orden, así como la fecha de la parte construida en ladrillo, que posiblemente se remonte al siglo XVI. En cambio, el campanario original, de planta octogonal, es del siglo XIII. Contiene una interesante escalera de caracol que recorre el cilindro de la estructura en el interior con escalones volados (Vasari lo usa como modelo para el Pozo de San Patricio en Orvieto).
Desde 1296 el complejo perteneció a los Agustinos, que realizaron ampliaciones hasta el año 1313. Ulteriores obras se sucedieron durante todo el siglo XIV, cuando la decoración de la iglesia se enriqueció con el Crucifijo de madera atribuido a Giovanni Pisano, actualmente en la capilla contigua al altar mayor, y con la preciosa mesa que representaba a la Virgen con el Niño, atribuida a Francesco Traini, en la capilla de la Virgen de las Gracias.
A principios del siglo XV se remonta, en cambio, la pintura San Nicolás salva a Pisa de la peste, conocida como una de las más antiguas y detalladas representaciones de la ciudad. A partir de 1572 se construyen las ocho capillas y la bóveda. La capilla del SS. Sacramento es obra de Matteo Nigetti (1614). Desde 1792 la iglesia recoge la curación de las almas de la suprimida iglesia de Santa Lucia dei Ricucchi y es sede de la Cofradía de Santa Lucia.