La primera noticia del templo data del año 1441, en un documento conservado en el Archivo de la Casa de Alburquerque, en el que cita una tierra “a San Niculás, en que ay media obrada.
Entonces don Beltrán comenzó a remodelar el castillo de Cuéllar.
Juan Arias Dávila, entonces obispo de Segovia responde en 1471 afirmativamente a la rogativa, con la condición de que traslade en primer lugar el altar dedicado al santo a la iglesia de San Martín: La iglesia entonces ya se encontraba deteriorada, como advierte el documento.
Una vez cumplido el deseo del obispo, y dotado el retablo de ornamentos y demás enseres para el culto, meses después el obispo autoriza al duque de Alburquerque a derribar la iglesia por completo: Por las indicaciones que aporta el documento, la iglesia se hallaba situada frente a la fortaleza, en las eras que existen tras el camino de Santo Domingo, aunque no queda rastro alguno de la cruz y señalización que el obispo ordenó se pusiese.
Tampoco se conserva el altar dedicado a San Nicolás que se construyó en la iglesia de San Martín, que debió desaparecer en el siglo XIX, cuando tuvo lugar la desamortización del templo.