Das reich ausgestattete, kunsthistorisch qualitätvolle Münster St. Nikolaus im Zentrum der Überlinger Altstadt ist der größte spätgotische Kirchenbau am Bodensee. Die fünfschiffige Basilika wurde zwischen 1350 und 1576 an der Stelle von Vorgängerbauten errichtet. Zwar war die heutige Gestalt des Kirchenbaus 1563 bereits vollendet, doch verzögerte der Turmbau die Fertigstellung. Die beiden Chorflankentürme entstanden ab dem frühen 15. Jahrhundert, doch brach man den Bau des Südturms 1420 ab und gestaltete den 1494 vorläufig fertiggestellten Nordturm erst 1574/1576 auf den oberen Geschossen spätgotisch um. Über einer Plattform erhebt sich seither ein achteckiger Dachaufsatz mit welscher Haube.

Das überregional bedeutendste Kunstwerk des Münsters ist der geschnitzte Hochaltar, ein Meisterwerk des deutschen Manierismus, den der Überlinger Holzschnitzer Jörg Zürn von 1613 bis 1616 schuf. In den Seitenkapellen des Langhauses stehen 13 weitere Altäre aus der Zeit vom 15. bis zum 19. Jahrhundert. An den Pfeilern des Mittelschiffs sind auf kleinen Konsolen überlebensgroße Holzfiguren des Erlösers und der zwölf Apostel postiert, die aus dem Jahr 1552 stammen. Die Wand über dem Chorbogen ist mit einem riesigen Fresko von Jakob Carl Stauder aus dem Jahr 1722 bemalt, das das Jüngste Gericht darstellt. In der südwestlichen Vorhalle des Münsters findet sich ein Fresko von Marx Weiß von 1563, das eine Schutzmantelmadonna zeigt. Ein weiteres Fresko von 1493 an der Nordseite des Münsters, das den Tod Mariens und das Jüngste Gericht thematisierte, ist nur noch in Spuren erhalten. Die Hauptorgel des Münsters, die sogenannte Nikolausorgel, wurde 1968 von den Orgelbaumanufakturen Mönch und Pfaff aus Überlingen gemeinsam erbaut. Die beeindruckenden farbigen Chorfenster der Firma Helmle und Merzweiler aus Freiburg sind bemerkenswerte Beispiele für die Glasmalerei des späten 19. Jahrhunderts.