De la chapelle primitive devenue église en 1287, on ne sait rien. L’église Saint Nicolas fit l’objet d’importants travaux de restauration et d’agrandissement de 1448 à 1483. Cependant, elle fut laissée sans entretien par la suite, jusqu’au début du 19ème siècle où elle s’avéra trop petite pour accueillir la population. Sous l’impulsion du curé de la paroisse, l’abbé Fournier, futur évêque de Nantes, une nouvelle église de style néo-gothique va commencer à s’élever. Orienté Nord-Sud en raison de l’exigüité du terrain (et non Est-Ouest comme le voulait la tradition), l’édifice a été construit en trois tranches : de 1844 à 1848, de 1851 à 1854 puis de 1865 à 1869 par les architectes Jean-Baptiste Lassus, Henri-Théodore Driollet et Gustave de Bourgerel.

L’église fut consacrée le 10 octobre 1876 et érigée en basilique le 28 octobre 1882.

Très endommagée par les bombardements de septembre 1943, elle fit l’objet d’un important chantier de reconstruction entre 1953 et 1974.

Après son classement au titre des monuments historiques en 1986, de grands travaux de restauration furent entrepris à partir de 1996. Ils permettent d’admirer à l’extérieur sur la façade Sud le grand portail et le tympan : à noter la statue de Saint Nicolas bénissant le visiteur, réalisée par Vallet et dont les traits sont empruntés à ceux de Mgr Fournier.

A l’occasion de travaux de réaménagement des abords de St Nicolas en 2017, des fouilles ont fait apparaître le sol de plusieurs maisons autour d’une cour centrale.

Le clocher ou flèche, en pierre, repose sur une tour carrée puis octogonale au sommet. Elle mesure 100 mètres. La basilique s’étend sur 86 m de longueur sur 32 m de large, sa hauteur sous voûte est de 24m.