Pierwsze wzmianki o kościele św. Mikołaja i Matki Boskiej pochodzą z XIV w. W 1450 roku była to już murowana świątynia, zapewne jednonawowa, ozdobiona nagrobkami Leszczyńskich, którzy od wsi pierwotnie zwanej Leszczyno przybrali swe nazwisko. Nazwa Leszno występuje dopiero od 1547 roku, kiedy założono tu miasto. W tym czasie właściciel miasta stali się protestantami (1553) i oddali kościół wraz z całym uposażeniem Braciom Czeskim w roku 1555. Miasto bogaciło się i rozbudowywało więc i kościół został w XVI w. wydatnie powiększony przez dobudowanie w stylu renesansowym obu wież oraz naw bocznych. W roku 1640 dziedzic Leszna Bogusław Leszczyński, podskarbi wielki koronny wrócił do katolicyzmu, zaczęto więc starania o zwrot kościoła parafialnego, uwieńczone w 1652 roku dekretem trybunału królewskiego. Podczas wojny polko-szwedzkiej (1655-1660) Leszno zostało doszczętnie spalone, a wraz z nim wszystkie kościoły. Kościół św. Mikołaja odbudować miał magistrat, składający sie z protestantów, więc odbudowa postępowała bardzo wolno. Do 1685 roku pokryto dachem jedynie niewielka część kościoła, co umożliwiło ponowne odprawianie nabożeństw. Wkrótce, staraniem dziedziców Leszna ks. biskupa Bogusława i Rafała Leszczyńskich przystąpiono do planowanej odbudowy i przebudowy świątyni. Pracami kierowali włoscy architekci Jan Catenazzi i Pompeo Ferrari, twórca wspaniałego wystroju wnętrza w stylu pięknego włoskiego baroku.
W roku 1707 miasto zostało ponownie całkowicie spalone. W kościele parafialnym spłonął dach i strzeliste hełmy wież, co hamowało prace nad przebudową i ozdabianiem świątyni. Wówczas powiększono kościół o czwarte przęsło, w środku którego zbudowano nad prezbiterium kopułę, wówczas jedynie w stanie surowym. Wizytacja z 1719 roku wspomina o istnieniu 8 ołtarzy, w tym głównego św. Krzyża, ozdobionego baldachimem, a nadto stwierdza piękne przyozdobienie kościoła, za wyjątkiem prezbiterium. Do 1726 roku wymalowano kopułę, postawiono ambonę oraz nowy ołtarz św. Michała. Dach kościoła silnie załamany nad bocznymi nawami bocznymi został pokryty gontami, posadzki zaś wyłożono cegłami. W 1737 roku kościół był już całkowicie odbudowany; przybyła figura św. Jana Nepomucena oraz dwa piękne nagrobki obu braci restauratorów. Nagrobki te nie zostały ukończone, zapewne z powodu śmierci ich twórcy Ferrariego. W tym czasie Leszno kupił Aleksander Sułkowski, który ufundował w 1744 roku nowy, wielki ołtarz. Umieszczono w nim obraz św. Trójcy, znajdujący się uprzednio w ołtarzu obok nagrobka ks. biskupa Leszczyńskiego. Krzyż z wielkiego ołtarza umieszczono na miejscu przeniesionego obrazu św. Trójcy. Podczas pożaru miasta w 1790 roku spłonął oryginalnie łamany dach kościoła oraz wysmukłe hełmy obu wież. Straty naprawił ks. Szymon Trzepaczyński, ale nie przywrócono już dawnych hełmów wież, ani osobnych dachów nad nawami bocznymi. Z inicjatywy ks. Antoniego Tyca dokonano odnowienia wnętrza świątyni. Konsekracja kościoła pw. św. Mikołaja biskupa nastąpiła dopiero 20 czerwca 1841 roku. Konsekracji dokonał abp Marcin Dunin. Kościół bez zasadniczych zmian przetrwał do początku XX w. W latach 1905-1908 z inicjatywy ks. Józefa Tascha rozbudowano pierwotną część prezbiterialną. Dobudowano transept i prezbiterium wraz z przyległymi pomieszczeniami: zakrystią i kaplicą chrzcielną, do których przylegają niewielkie wieże, mieszczące w sobie klatki schodowe. W takiej postaci kościół przetrwał do dziś.
W latach 50-tych ubiegłego wieku z inicjatywy ks. Teodora Korcza rozpoczęto prace konserwatorskie. Do wnętrza wprowadzono kilka istotnych zmian. W 1956 r. urządzono kaplicę chrzcielną, a w latach 1970-1974 pod kopułką pierwotnego prezbiterium ustawiono nowy ołtarz soborowy. Od roku 1973 południowa wnęka przęsła międzywieżowego funkcjonowała jako Kaplica Wieczystej Adoracji Najświętszego Sakramentu. W roku 2000 kościół parafialny pw. ś. Mikołaja został ustanowiony przez papieża Jana Pawła II kolegiatą. Ostatnie lata to kompleksowe odnowienie świątyni, m.in. odnowiono ołtarz główny i ołtarze boczne, polichromię i sztukaterię całej świątyni. Zainstalowano nowe barokowe żyrandole. Ufundowano figurę Sługi Bożego Jana Pawła II oraz obrazy Miłosierdzia Bożego i św. siostry Faustyny.
W 2007 roku w dniu święta patronalnego ks. abp Stanisław Gądecki dokonał poświęcenia nowej Kaplicy Adoracji Najświętszego Sakramentu, która znajduje się obok ołtarza soborowego.
Od 2013 roku posiada tytuł Bazyliki Mniejszej nadany w imieniu Papieża decyzję Kongregacji Kultu Bożego. Tytuł bazyliki mniejszej nadaje się kościołom odznaczającym się nie tylko wartością zabytkową, ale także dużym znaczeniem w życiu religijnym wspólnoty chrześcijańskiej.