Ο Άγιος Νικόλαος είναι ίσως ο ωραιότερος ναός του Πειραιά και ένας από τους παλαιότερους της νέας πόλης του Πειραιά, έτσι όπως αυτή διαμορφώθηκε μετά την Επανάσταση της Ανεξαρτησίας από τους Τούρκους το 1821 και την ίδρυση του νέου ελληνικού κράτους μετά το 1930.

Ο ναός ανήκει στην κατηγορία των σταυροειδών εγγεγραμμένων και έχει τρεις τρούλους, από τους οποίους οι δύο είναι χαμηλοί, ενώ ο κεντρικός είναι μεγάλος ελλειψοειδούς μορφής, με νησιώτικο "φανάρι" στην κορυφή του.

Οι εξωτερικές διαστάσεις του ναού είναι 25,85x35,60 μ., ενώ στις τρεις πλευρές του, βόρεια, νότια και δυτικά, φέρει τρία όμοια πρόπυλα, διαστάσεων 10x3,75 μ., τα οποία εξέχουν του κυρίως ναού. Τα πρόπυλα έχουν επίπεδη μορφή με φατνώματα, που καλύπτονται από δίρριχτες στέγες και αετώματα. Η κύρια δυτική όψη έχει τρεις θύρες, ενώ οι δύο πλαϊνές από μία. Τα πρόπυλα είναι κατασκευασμένα από συμπαγή μάρμαρα με δώδεκα διακοσμημένα κιονόκρανα κορινθιακού ρυθμού, τέσσερα σε κάθε είσοδο. Το άνω μέρος του κάθε αετώματος καλύπτεται με γαλλικό κεραμίδι, ενώ εσωτερικά με 44 περίτεχνα ζωγραφισμένα με μπλε χρώμα όμοια τετράγωνα.

Στην είσοδο υπάρχει ένας μακρόστενος πρόναος με επίπεδη κάλυψη, πάνω από τον οποίο δεξιά και αριστερά υπάρχουν δύο μεγάλοι χώροι ενός ενιαίου γυναικωνίτη. Δεξιά και αριστερά του πρόναου υπάρχουν δύο ξύλινα κλιμακοστάσια από τα οποία κανείς ανεβαίνει στον γυναικωνίτη. Οι γυναικωνίτες στεγάζονται με θόλους.

Ο ναός φέρει δυτικά εκατέρωθεν του πρόναου δύο κωδωνοστάσια. Έχουν βάσεις δύο επιπέδων, ενώ στην κορυφή τους στηρίζονται σε τέσσερις κίονες το καθένα, πάνω στους οποίους στηρίζεται η μαρμάρινη διακόσμηση και δύο τρουλίσκοι που φέρουν σταυρό. Σε κάθε άνοιγμα μεταξύ των κιόνων υπάρχει διπλό "παράθυρο" μαρμάρινο με κιονίσκο στη μέση και διακόσμηση με σταυρό στο πάνω μέρος.

Στην ανατολική πλευρά του ναού εξέχουν οι τρεις κόγχες του Ιερού. Είναι ημικυκλικές, οι δύο μικρές φέρουν από ένα παράθυρο ενώ η κύρια κόγχη τρία παράθυρα με διακοσμητική συμπαγή μαρμάρινη επένδυση εξωτερικά και πολύχρωμα βιτρό εσωτερικά. Πάνω από τις δύο μικρές κόγχες υπάρχουν επίσης μεγάλα παράθυρα διπλά, όμοια με τα λοιπά των δύο εξωτερικών πλευρών. Στο άνω μέρος του ναού και σε κάθε πλευρά υπάρχουν τέσσερα όμοια παράθυρα από μαρμάρινη επένδυση και γείσο σε κολόνες εκατέρωθεν.

Ο ναός είναι κτισμένος με πέτρα πάνω σε κολόνες με βάσεις πάχους 1,05 έως 1,50 μ. Εκτός από τα πρόπυλα, τα οποία είναι κατασκευασμένα εξ ολοκλήρου από μάρμαρο, όλος ο ναός και οι εσωτερικές κολόνες πάνω στις οποίες στηρίζονται οι θόλοι είναι κατασκευασμένα από λιθοδομή.

Ο ναός εσωτερικά στηρίζεται σε τέσσερις αυτοτελείς κολόνες πάνω στις οποίες με τόξα και αψίδες στηρίζεται η ανωδομή των τριών τρούλων, οι οποίοι έχουν κτισθεί με ελαφρά υλικά από μαλτεζόπετρες και ειδικού τύπου κεραμίδια. Όλη η στέγη φέρει έξι όμοιες δίρριχτες στέγες (υπό γωνία), τρεις μικρές δίρριχτες μπροστά και μία καμπυλωτή πάνω από την κύρια κόγχη του Ιερού. Όλες είναι καλυμμένες με γαλλικό κεραμίδι. Οι μικροί τρούλοι φέρουν τέσσερα παράθυρα-φεγγίτες και ο κύριος τρούλος οκτώ. Ο ναός φέρει περιμετρικά γείσο υψηλό με διακοσμητικές κολόνες, όπως και στα έξι παράπλευρα των παραθύρων.

Ο ναός εξωτερικά έχει στα βόρεια μεγάλο κλιμακοστάσιο το οποίο οδηγεί στο πρόπυλο, όπως και μπροστά, πριν τη μεγάλη δυτική βεράντα. Τα παλαιά χρόνια στη βάση του ναού υπήρχαν μαγαζιά, ενώ σήμερα στον υπόγειο χώρο στεγάζονται αίθουσες και μαγειρείο για τις κοινωνικές και κατηχητικές ανάγκες της ενορίας. Από τη νότια πλευρά η είσοδος βρίσκεται στο επίπεδο του παράπλευρου δρόμου.

Ο ναός, με τα αρχαιοελληνικά του χαρακτηριστικά στα τρία πρόπυλα, αποτελεί με τη γύρω πλατεία του και το απέναντι πάρκο της χερσαίας ζώνης του λιμανιού, το οποίο έχει μεγάλο χώρο στάθμευσης υπογείως, ένα μοναδικό στολίδι της σύγχρονης πόλης του Πειραιά.