St. Nikolai wurde als Rundbau mit Glockenturm ausgeführt. Der Entwurf stammt von den Architekten Dieter und Gerhard Langmaack. Der Turm erreicht mit der rund 3 Meter hohen Wetterfahne eine Höhe von 89,4 Metern[1] und ist damit der siebthöchste Kirchturm in Hamburg nach den Türmen der fünf alten Hauptkirchen und der St.-Gertrud-Kirche auf der Uhlenhorst. Die gesamte Länge beträgt etwa 40,5 Meter und die Breite etwa 35 Meter.[2]
Der Bau gilt als einer der bedeutendsten in der Nachkriegszeit erstellten Sakralbauten Hamburgs. Die Architekten wählten für das asymmetrisch geschwungene Kirchenschiff einen kelchförmigen Grundriss. Dieser soll die Gemeinde vor dem Altar zusammenschließen, ohne die räumliche Grenze zum Altarbereich zu verwischen. So wird der von einer hellen strukturieren Holzdecke überwölbte Kirchenraum mit seinen über 500 Sitzplätzen[3] auf den schlichten Altar und das Altarbild ausgerichtet.
Am 27. Januar 2006 wurde die Kirche mit ihrer Ausstattung in die Denkmalschutzliste Hamburgs eingetragen.
Da die neue Hauptkirche St. Nikolai als Nachfolgerin der zerstörten Nikolaikirche verstanden wird, nimmt die Ausstattung an vielen Stellen Bezug auf das heutige Mahnmal.
Das Altarbild, ein Mosaik mit dem Namen Ecce Homines („Seht, die Menschen“), das 1974 nach einem Entwurf Oskar Kokoschkas von dem italienischen Künstler Sergio Cicognani geschaffen wurde, ist ein Pendant zu dem gleichartigen Mosaik in schwarz-weißer Ausführung im Chorraum der alten Nikolaikirche.[4] Das Mosaik ist nicht in die Wand eingelassen, sondern hängt frei als Bild über dem Altarkreuz.
Dieses Kruzifix wurde wie auch drei Bronze-Reliefs an der Kanzel vom Bildhauer Fritz Fleer gestaltet. Ebenfalls von ihm ist die 1985 geschaffene Nikolaustür an der Westfassade, die drei Szenen der Nikolauslegende darstellt.
Der Eingang in die Kirche erfolgt durch das Baptisterium, einer Taufkapelle mit einem Taufaltar, in dem das sogenannte Coester-Fenster verschiedene Szenen aus der Johannesoffenbarung zeigt. Das Fenster wurde 1939 von Elisabeth Coester noch für die alte St.-Nikolai-Kirche fertiggestellt, aber aufgrund des Krieges dort nicht mehr eingebaut. Das Baptisterium der neuen Kirche wurde von den Architekten speziell für dieses Fenster gestaltet. In diesem Raum stammen auch die Steine des Taufaltars, der Torso einer Christusfigur und eine Statue des Erzbischofs Ansgar aus der Ruine der alten Nikolaikirche.
Auf der rechten Empore steht die Hauptorgel. Mit dem Bau einer neuen Kirche am Klosterstern wurde 1962 auch der Bau einer neuen großen Orgel in Auftrag gegeben. Die Planung übernahm Ernst Karl Rößler von der Hochschule für Musik Freiburg. Das Instrument wurde von dem Orgelbauer Orgelbaufirma Willi Peter (Köln) erbaut und 1966 fertig gestellt.
Auffallend ist der Orgelprospekt: Er greift das in Hamburg beliebte Motiv des Schiffsbugs bzw. von Schiffssegeln auf. Die äußere Gestaltung der Orgel geht auf eine Idee des Architekten Gerhard Langmaack zurück, der das Instrument wegen des hohen Gewichtes an einem Stahlgerüst an der Außenwand der Kirche befestigen ließ. Das Schleifladen-Instrument hatte 63 Register auf vier Manualwerken und Pedal.[5] Die Spieltrakturen und die Registertraktur waren elektrisch.
Das Instrument wurde in Gottesdiensten und Konzertveranstaltungen genutzt. Ab Ostern 2018 war die Orgel nicht mehr spielbereit.
In den Jahren 2019–2023 wurde die denkmalgeschützte Peter-Orgel durch Johannes Klais Orgelbau saniert und weiterentwickelt. Das Instrument wurde auf 101 Register erweitert und um Schlagwerkregister ergänzt (darunter Röhrenglocken, Celesta, Snare-Drum und Tamtam). Fünf Register sind als Antiphonal in einem separaten Gehäuse über dem Haupteingang untergebracht. Insgesamt hat die Orgel nun 7279 Pfeifen (1966: 5201 Pfeifen), von denen 282 aus Holz und der Rest aus einer Zinn-Legierung gefertigt sind. Sie wurde mit einer Setzeranlage ausgestattet und erhielt einen MIDI-Anschluss. Ein zweiter, fahrbarer Spieltisch im Kirchenraum bietet fünf Manuale.
Der größte Teil der Kosten von mehr als 3 Millionen Euro konnte durch Spenden finanziert werden sollten.[6] Am Ostersonntag, 9. April 2023, wurde die erneuerte Orgel eingeweiht.[7]
Die Orgel des Baptisteriums wurde 2019 von der Orgelbaufirma Klais (Bonn) erbaut. Das rein mechanische Instrument hat 11 Register auf zwei Manualwerken und Pedal. Der Prospekt wurde in Anlehnung an die Formensprache der Hauptorgel gestaltet und greift das Segelmotiv wieder auf.[8]