Op de plek waar nu de Nicolaas- en Barbarakerk staat, lag vermoedelijk al in de Romeinse tijd een eenvoudig heiligdom langs de belangrijke Heerbaan van Tongeren naar Keulen. In de 12e of 13e eeuw werd hier een kapelletje gebouwd, dat later uitgroeide tot een zaalkerkje. Destijds viel Valkenburg nog onder de parochie van Schin op Geul, en de eerste schriftelijke vermelding van een kerkgebouw op deze locatie dateert uit 1226.

Toen Valkenburg in 1281 een zelfstandige parochie werd, werd de kerk stapsgewijs uitgebreid tot een kruiskerk met een centrale opbouw en toren. In de 15e eeuw kwamen het gotische koor, de toren met ingesnoerde spits, het korte schip met dwarsbeuk en de zijbeuken erbij. Binnen de stadsomwalling had de kerk drie priesters: voor het hof, het gasthuis en de parochie. Tussen 1633 en 1819 diende het gebouw als simultaankerk voor zowel katholieken als protestanten.

In 1836 werd het gotische koor vervangen door een langer, rond gesloten koor. Het voorportaal met kapellen volgde in 1891, naar ontwerp van Pierre Cuypers. In 1904 tekende hij ook voor de uitbreiding met het huidige neogotische mergelstenen koor, de sacristie en de verlengde dwarsarmen.

De kerk herbergt bijzondere kunstschatten, zoals een laatgotisch corpus en Marianum uit de 15e eeuw, een Remigiustriptiek uit dezelfde periode, en beelden van Sint Nicolaas en Sint Barbara uit het begin van de 18e eeuw.