Cette chapelle est située dans le faubourg médiéval du Rachapt, au nord-ouest de la ville close et proche du château de Vitré. Elle a été construite en schiste et grès dans un style gothique flamboyant durant les XV et XVI siècles, période prospère de la ville.
L'emplacement de l'hôpital était privilégié, compte tenu de sa localisation au point de franchissement de la Vilaine, le long de la route de Fougères, Saint-Malo et Mont-Saint-Michel ainsi que proche de la route de Rennes, Laval et Paris. De plus, l'hôpital était situé près d'un cours d'eau qui favorisait l'hygiène.
La vaste chapelle est de forme rectangulaire et est entourée par les anciens bâtiments hospitaliers au sud et le couvent des Augustines du XVII siècle au nord. Ce couvent a accueilli des religieuses augustines hospitalières de sa création jusqu'en 1974. La chapelle Saint-Nicolas est devenue monument historique.
En 1986, le musée Saint-Nicolas a été créé dans la chapelle. Il a été agrandi en 1997 au niveau de l'ancien chœur des religieuses.