В августе 1915 года, в связи с наступлением австро-германских войск, было эвакуировано церковное имущество. В глубь России вывезли колокола церкви и иконостас из мореного дуба. В годы немецкой оккупации с 1915 по 1918 год в храме проводились католические и лютеранские богослужения.
Захватив Брестскую крепость в 1919 году, поляки установили в церкви католический алтарь, а после заключения Рижского мирного договора в 1921 году, Брестчина до 1939 года оказалась в составе Второй Речи Посполитой, что привело к полонизации и очередной попытке окатоличивания местного русского населения. Угнетению подверглись русская культура, язык и Православная вера.
В 1924–1929 годах по проекту польского архитектора Юлиана Лисецкого Православный Свято-Николаевский гарнизонный собор был перестроен в римско-католический гарнизонный костел Святого Казимира, что существенно изменило его внешний вид и внутреннее убранство.
После воссоединения Восточной и Западной Беларуси в результате освободительного похода Красной Армии, с апреля 1941 года в здании храма размещался красноармейский клуб 84 стрелкового полка 6 стрелковой Орловской дивизии 4 армии Западного Особого военного округа. В ходе обороны Брестской крепости в июне 1941 года здание было сильно повреждено. От обстрелов и бомбежек часть нового каркаса обрушилась и появились фрагменты прежнего здания. В здании были окружены около 70 фашистов из разбитой защитниками крепости штурмовой группы 45 пехотной дивизии врага. 26 августа 1941 года полуразрушенный храм посещали Адольф Гитлер и дуче Италии Бенито Муссолини, которые были поражены исключительной стойкостью воинов Красной Армии при обороне крепости.
В послевоенный период цокольная (подвальная) часть храма использовалась Брестским горпищеторгом в качестве овощехранилища. В 1970-е годы была проведена консервация руин и строение использовалось как экскурсионный объект мемориального комплекса «Брестская крепость-герой».
После развала СССР католическая церковь Беларуси предъявила претензии Брестским властям на возврат здания католической общине города Бреста. Однако благодаря настойчивости местных властей, прихожан, военнослужащих Брестского гарнизона в 1994 году было принято решение вернуть его в лоно Православной Церкви, и здание было передано Брестской епархии Белорусского Экзархата Московского Патриархата. Началась реставрация первоначального облика собора.
Гарнизонный храм трижды посетили Предстоятели Русской Православной Церкви: в 1995 и 2001 годах – Святейший Патриарх Московский и всея Руси Алексий II, а в 2015 – ныне действующий Святейший Патриарх Кирилл.
Яркой уникальной чертой данного собора является его притягательность, как символа несгибаемой стойкости духа и мужества – основы Русского Мира и единства славянских народов. Ещё до принятия правительством Украины неофашистской идеологии, как главного пути и вектора своего политического развития, в 2003 году Президент Украины Леонид Данилович Кучма посетил гарнизонный храм Святителя Николая Чудотворца в Брестской крепости и преподнёс в дар от себя лично и братского народа Украины семь колоколов различных размеров с государственной символикой. Таким образом глава государства почтил память наших общих героев мужественно защищавших свою Родину от немецко-фашистских захватчиков.
Во время визитов в Брестскую крепость гарнизонный храм посетили и главы наших государств – Республики Беларусь: Александр Григорьевич Лукашенко и Российской Федерации: Борис Николаевич Ельцин, Дмитрий Анатольевич Медведев и Владимир Владимирович Путин.
В начале 2022 года были полностью завершены комплексные научно-исследовательские работы в храме Святителя Николая Чудотворца для создания и оформления научно-проектной документации, а именно: выполнено техническое обследование, историко-архивные и библиографические изыскания, обмеры интерьеров, фотофиксации внутренних помещений, взяты пробы штукатурных составов и получены результаты физико-химических исследований.
С 2015 года по настоящее время – настоятель храма – протоиерей Виталий Хоновец.