Construite au XVIe s. sous le vocable de Saint-Nicolas des Fossés, en remplacement d’une église du XIIe s qui avait vu prêcher saint Thomas de Canterbury, puis sauvée de la destruction révolutionnaire en devenant Temple de la Raison, elle devient la cathédrale provisoire de la ville entre 1803 et 1833. En 1915, elle est la proie des flammes et des obus, causant la mort héroïque de deux pompiers (Wacquez et Glasson), dont la rue porte depuis les noms.

Sa reconstruction contemporaine en style néogothique est l’œuvre de l’architecte Mulard, sur les plans d’Henri Mazet. Les architectes font le choix de murs en béton et en briques, habillés de pierres comme matériaux de parement.
La nef, éclairée par de beaux vitraux contemporains, est célèbre pour sa « Descente de croix », tableau monumental peint par Pierre-Paul Rubens vers 1625, commandé par les moines de Saint-Vaast pour leur église abbatiale.

Le retable de l’autel situé dans la chapelle nord est également remarquable, il provient de la chapelle de la Sainte-Chandelle, jadis située sur la Place des Héros et détruite en 1792. Il porte en son centre la plus ancienne statue représentant Notre-Dame des Ardents (16e siècle) : une Vierge à l’Enfant tenant de la main droite le Cierge miraculeux.