Ο ιερός ναός αγίου Νικολάου Πλωμαρίου ιδρύθηκε το 1847 σύμφωνα με παλιά εντοιχισμένη επιγραφή και απετέλεσε το μητροπολιτικό ναό της ανεξάρτητης επισκοπής Πλωμαρίου κατά την περίοδο 1924-1933.
Η οικοδόμησή του συνδέεται με την παράδοση κατά την οποία οι κάτοικοι του νέου οικισμού του Πλωμαρίου ήθελαν να κατασκευάσουν όμοιο ναό με αυτόν της Παναγίας της Αγιάσου. Έτσι, προσκάλεσαν τον εξ Άγρας αρχιτέκτονα αυτής κάλφα Χατζηελευθερίου για να δημιουργήσει πανομοιότυπο ναό σύμφωνα με τα αρχιτεκτονικά σχέδια του ναού της Παναγίας.
Πρόκειται για τρίκλιτη βασιλική λεσβιακού τύπου με ξύλινη στέγη, κεραμοσκεπή άνευ παραλλαγών.Η οροφή του κεντρικού κλίτους είναι θολωτή και διακοσμείται με τους δώδεκα αποστόλους, τους ευαγγελιστές και τους προφήτες. Στο κέντρο έχει φιλοτεχνηθεί ο Χριστός ως παντοκράτωρ περιστοιχιζόμενος από χερουβείμ να προβάλλει «ως από νεφελών του ουρανού». Στην οροφή του ιερού βήματος υπάρχει εξαίρετης αισθητικής γύψινη διακοσμητική επιφάνεια στο κέντρο της οποίας διακρίνεται ανάγλυφη περιστερά, σύμβολο του αγίου Πνεύματος.
Αντίθετα απ’ ό,τι κανείς θα περίμενε, το τέμπλο, ο άμβωνας και δεσποτικός θρόνος δεν αποτελούν χαρακτηριστικά δείγματα της λεσβιακής ξυλογλυπτικής, όπως συμβαίνει σε πολλούς ναούς του νησιού. Είναι μεν ξύλινα, αλλά διαθέτουν λιτή μορφή, χωρίς ανάγλυφες παραστάσεις.Σε ειδικές προθήκες εκτίθενται αξιολογότατες φορητές εικόνες, οι οποίες έχουν μεταφερθεί από την ερημωμένη σήμερα γειτονική μονή του αγ. Γεωργίου, απ’ όπου προέρχονται ο Εσταυρωμένος και τα λυπηρά. Σπουδαίας σημασίας είναι μια εικόνα του αγ. Γεωργίου, η οποία είναι αχρονολόγητη και προέρχεται από τη μεταβυζαντινή εποχή. Στο ναό έχουν αποθησαυριστεί, ακόμη, πολλά αντικείμενα εκκλησιαστικής τέχνης διαφόρων εποχών.
Ο νάρθηκας περικλείεται από κιονοστοιχία και προεκτείνεται στη νότια και τη βόρεια πλευρά του ναού. Η οροφή του καλύπτεται από σταυροθόλια, τα οποία φέρουν διακόσμηση, χαμηλότερης όμως αισθητικής αξίας από αυτή του εσωτερικού. Στο δε προαύλιο υπάρχει ο τάφος του μητροπολίτη Λαρίσης Ανανία, σημαντικού γόνου του Πλωμαρίου.