Πρόκειται για μικρό υστεροβυζαντινό ναό του 16ου αι., ευρισκόμενος στο κέντρο του οικισμού της Πέτρας, ο οποίος αποτελεί χαμηλή μονόκλιτη ξυλόστεγη βασιλική, χαρακτηριστική της μέσης τουρκοκρατίας, στη θέση παλαιοχριστιανικού ναού, μέλη του οποίου διασώζονται στην τοιχοποιία και στον αύλειο χώρο. Πληροφορίες για το ναό του αγ. Νικολάου Πέτρας αντλούμε από το έργο του μητροπολίτη Μηθύμνης Γαβριήλ (1618-1621) «Περιγραφή της Λέσβου» και από ιεροσολυμίτικο κώδικα του 1653-54.
Οι τοίχοι είναι ολόγραπτοι με τρία στρώματα αγιογραφιών, παλαιότερες εκ των οποίων θεωρούνται του ιερού (16ος αι.). Επίγραμμα αναφέρεται στον πελοποννήσιο ζωγράφο Νικόλαο Φίτζη ή Ρίτζη , ο οποίος ευπρέπισε το ναό κατά την ανακαίνιση του 1721.
Η σημερινή μορφή του μνημείου προήλθε ως αποτέλεσμα των αναστηλωτικών εργασιών του 1937-38, οι οποίες του στέρησαν τη μικρή στοά της δυτικής πλευράς με τον υπερκείμενο γυναικωνίτη και σημαντικό τμήμα του εικονογραφικού προγράμματος.