В Петербурге архимандрит Николай нашел и архитектора, способного воплотить его замысел в жизнь. Им стал профессор М. А. Щурупов, имевший в столице архитектурную практику и известный, прежде всего, как создатель нескольких храмов, построенных в русском и византийском стилях. Он подготовил грандиозный проект храма в Токио, рассчитанного на полторы тысячи прихожан. Замысел русского архитектора воплощал в камне английский зодчий Джошуа Кондер, широко известный в Японии. С 1878 по 1907 г. этот архитектор построил в японской столице более 50 зданий: Токийский императорский музей (1881), дворец Рокумэйкан (1883), здание Морского министерства (1895).
Строительные работы по сооружению собора, «подавляющего своей внушительностью столицу империи», как писала одна из газет, продолжались около десяти лет. Кирпичный храм поражал грандиозностью: его покрытый медными листами купол вознесся над землей на 35 м, колокольня была на пять метров выше. Площадь внутреннего пространства составляла 805 кв. м. Размеры храма вызывали у некоторых японцев чувство страха перед Россией. Храм освятили 24 февраля (7 марта) 1891 г. при участии 16 священников и 4000 верующих, прибывших с разных концов Японии. На открытии должен был присутствовать наследник российского престола цесаревич Николай, но из-за трагического инцидента в Оцу он в Токио так и не приехал, и храм освятили без него.
Строительство собора не было основным делом для епископа Николая, считавшего главным направлением своей деятельности в Японии миссионерство. По возвращении в Токио в октябре 1880 г. он энергично приступил к осуществлению программы православной миссии, предполагавшей помимо возведения Воскресенского храма расширение миссионерства, издательского дела и обучения японцев русскому языку. Миссионерские усилия владыки Николая были впечатляющи: по отчету Русской миссии в Японии, на июль 1889 г. в ней имелось 215 общин, 159 церковных зданий, 24 священника и 17 025 верующих. Все это благодаря личности начальника миссии, который по сравнению с католиками и протестантами, имел ничтожные средства. В то же время на страницах его дневника имеется немало пессимистических записей о том, что японцы недостаточно восприимчивы к идеям православия.
Важное значение владыка Николай придавал печатному слову. Кроме журналов «Сэйке симпо» (Православные вести), «Сэйке ева» (Православные беседы), «Урани-сике» (Скромность), «Синкай» (Духовное море), «Нива» (Сад), «Нироку симбун» (Круглосуточная газета), «Симэй» (Предназначение) православная миссия выпустила в свет огромное число книг: библейские комментарии, проповеди, Катехизис, труды по церковной истории, жития святых и пр. Кроме богословских работ японцы знакомились с русской классикой: на страницах журналов впервые были напечатаны произведения А. Пушкина, Л. Толстого, Н. Некрасова.
Много усилий владыка Николай потратил на становление Токийской православной семинарии, открытой в 1874 г. В нее принимали студентов в возрасте 15–16 лет, имевших начальное образование, и обучали в течение семи лет. Для преподавания японской истории, математики, литературы и классических исследований по Китаю пользовались японским языком. Изучение Ветхого и Нового Заветов, вероучения, церковной истории, всемирной географии и истории, логики, литургики, гомилетики, физики, психологии, апологетики, систематического богословия, канонического права, философии, церковной музыки и иных дисциплин велось по русским текстам. Первый выпуск из семинарии состоялся в 1882 г. Лучших выпускников глава миссии отправлял в Россию для продолжения обучения. Помимо японцев в Токийской семинарии учились и русские мальчики, которые вернулись в Россию настоящими знатоками японского языка.
Несмотря на кровопролитную Русско-японскую войну, епископ Николай смог удержать позиции православия в Японии. Он призывал православных японцев исполнять долг, а кому придется сражаться, «то не из-за ненависти к врагу, а из любви к отечеству». «Я же отныне не буду принимать более участия в общественных богослужениях нашей церкви, — писал он. — Доселе я молился за процветание и мир японской империи. Ныне же, раз война объявлена между Японией и моей родиной, я как русский подданный не могу молиться за победу Японии над моим собственным отечеством. Я тоже имею обязательства к своей родине, и именно поэтому буду счастлив видеть, что и вы исполняете долг в отношении своей родины».