Изначально святой Николай был погребён в церкви в Мире (ныне — город Демре на территории современной Турции).
В мае 1087 года итальянские купцы украли бо́льшую часть мощей святителя из храма города Миры и перевезли их в город Бари (Италия), в спешке и суете оставив в саркофаге в Мирах около 20 % мощей. Спустя 9 лет венецианцы похитили остальные части мощей святителя Николая и вывезли их в Венецию вместе с мощами других мирликийских святых: святителя Николая — по мнению венецианцев, «дяди» святителя Николая, на самом деле родственника святого Николая Пинарского, и священномученика Феодора, тоже архиепископа Мир Ликийских.
Ныне около 65 % мощей святителя Николая находятся в католической базилике Святого Николая в Бари, под престолом алтаря крипты. Примерно пятая часть мощей святителя находится в католическом храме Святого Николая на острове Лидо в Венеции в раке над престолом, над которой установлены кипарисовые статуи священномученика Феодора, святителя Николая Чудотворца (в центре) и святителя Николая «дяди». Остальные части мощей Николая Чудотворца разнесены по всему миру.
В базилике в Бари под престолом алтаря крипты сделано круглое отверстие в гробницу святителя Николая, из которой один раз в год, 9 мая, извлекают прозрачное миро.
В 2014 году группа британских учёных-антропологов попыталась реконструировать по черепу внешний облик Святого Николая: он был ростом примерно 168 см с длинной бородой, круглой головой и массивной челюстью. В 1950-х годах мощи были исследованы итальянским антропологом, профессором Луиджи Мартино.
Исследования показали, что голова его была слегка вытянутая, нормальной формы; лицо было в основном коротким и широким; подбородок выдвинут вперёд больше, чем обычно; широкий лоб; довольно большие глазницы; нос среднего размера; рост 167 см.