Часовня расположена в центре старого города, на месте бывших древних Никольских ворот и земляного вала, по левую сторону от проезда из Никольских ворот Дмитровского кремля на Главную площадь.

В 1868 году при Успенском кафедральном соборе на средства дмитровских граждан была сооружена часовня в честь святого благоверного князя Александра Невского. Поводом для создания этой часовни стало чудесное избавление от смерти Александра II от каракозовского покушения в 1866 году. При этом стоящая напротив деревянная часовня 1840-х годов была разобрана.

В апреле 1870 года соборная часовня была торжественно освящена. В 1903 году вокруг часовни выстроили каменную ограду, а над входным крыльцом появился металлический навес.

В годы советской власти часовня сильно пострадала. Было утрачено внутреннее убранство. Ее здание использовалось под пункт кинопроката, затем бюро похоронного обслуживания. С нее была снята главка с крестом, уничтожен иконостас, закрыты живописные изображения на фасаде. Впоследствии были утрачены ограда и металлический навес.

В 1995 году часовня возвращена Православной Церкви. Была полностью восстановлена и приписана, как и прежде, к Успенскому собору.