Το μονύδριο του Αγίου Νικολάου ιδρύθηκε τον 16ο αιώνα, ως οικογενειακή μονή αθηναϊκής οικογενείας. Το έτος ιδρύσεως της μονής και ανεγέρσεως του ναού δεν είναι σαφές.
Ένα από τα χαράγματα -με ακίδα- που βρίσκονται στον κορμό του γλυπτού βυζαντινού κίονα που αποτελεί την βόρεια παραστάδα της ωραίας πύλης φέρει, κατά τον ιστοριοδίφη Γεώργιο Λαδά, μισοσβησμένη με ελληνικούς χαρακτήρες, είτε τη χρονολογία ζιγ’= 1504/1505, είτε τη χρονολογία ζλ’ = 1521/1522.
Η δεύτερη χρονολογία απέχει λίγα μόνο χρόνια από την πρώτη αγιογράφηση του ναού, από την οποία δεν σώζεται απολύτως τίποτε, και την οποία άλλη επιγραφή επί της αυτής παραστάδος του τέμπλου, τοποθετεί ακριβώς στα 1530:
«καλ[ή]σι[α] [ιστο]ρίθη ο σεπτός ναός [του] αγι[ου] νικ[ο]λ[άου] έτους ,ξλη’ μ[ηνί]φευρ[ουαρ]ι[ου] ιε.».
Ο Άγιος Νικόλαος Καλησίων (ή Καλλισίων όπως έχει επικρατήσει να λέγονται πλέον), εμφανίζεται περί το 1570-1575 ως ιδιοκτησία κάποιου παπά Νεκτάριου «…έχοντος κτητορικόν δίκαιον…» επί του μονυδρίου, με συνκτήτορα ενισχύσαντα την ανακαίνιση και κατ’ άλλους την ανέγερση του ναού, το γνωστό Δημήτριο Αναδρομάρη -ιδρυτή μαζί με άλλους Αθηναίους προκρίτους, μεταξύ των οποίων αριθμείται και ο παπά Νεκτάριος- της Ι.Μ. Παντοκράτορος Ταώ, καθώς και της Ι.Μ. Γεννεσίου στην άλλη πλευρά του Πεντελικού όρους. Κατά την παράδοση, σε σπήλαιο κοντά στην μονή, ασκήτεψε επί βραχύ διάστημα ο Άγιος Τιμόθεος, κτήτορας της Ι.Μ. Κοιμήσεως Θεοτόκου, οι επεκτατικές διαθέσεις της οποίας επρόκειτο ταχύτατα να επηρεάσουν την ιστορία του Αγίου Νικολάου Καλησίων. Πράγματι, οι συνεχείς απόπειρες καταπάτησης των αγρών του μονυδρίου εκ μέρους των μοναχών της νεοσύστατης Μονής Πεντέλης, οδήγησε τον παπά Νεκτάριο στο να προσαρτήσει τα Καλήσια στην επίσης ισχυρή μονή Παντοκράτορος Ταώ με την οποία ο Άγιος Νικόλαος συνόρευε προς ανατολάς. Η ένωση των δύο καθιδρυμάτων επικυρώθηκε με πατριαρχικό σιγίλλιο του οικουμενικού πατριάρχη Ιερεμίου Β’, το οποίο συντάχθηκε στην διάρκεια της δεύτερης πατριαρχίας του (1580-1584). Το σιγίλλιο αυτό δυστυχώς δεν διασώθηκε, είναι όμως γνωστό, από ένα επικυρωτικό σιγίλλιο του 1614, του οικουμενικού πατριάρχη Τιμοθέου Β’. Όσο για τον παπά Νεκτάριο των Καλησίων, αυτός διορίσθηκε στα 1586, μητροπολίτης Χριστιανουπόλεως, «…υπέρτιμος και έξαρχος Αρκαδίας…», από τον οικουμενικό πατριάρχη Θεόληπτο Β’, διαδεχθείς τον παραιτηθέντα μητροπολίτη Σωφρόνιο. Πέθανε δε στην θέση αυτή λίγο πριν το 1598, έτος κατά το οποίο αναφέρεται ως μητροπολίτης Χριστιανουπόλεως κάποιος άλλος Σωφρόνιος.
Το σιγίλλιο του οικουμενικού πατριάρχη Τιμοθέου, θησαυρίζεται σήμερα στο τμήμα χειρογράφων της Εθνικής Βιβλιοθήκης, καταχωρηθέν με τα στοιχεία Σ. 15. Ο Γεώργιος Λαδάς που το περιγράφει, αναφέρει πως στην κάτω άκρη του φέρει, ανηρτημένη με δέσμη κλωστών «…βαθυκυάνου χρώματος…», την μολύβδινη πατριαρχική βούλα του Τιμοθέου Β’ (διαμέτρου 4 εκ.), στης οποίας την μία όψη απεικονίζεται ανάγλυφη και εν προτομή η Θεοτόκος Παναγία με τον Ιησού Χριστό, ενώ η άλλη όψη φέρει την εξής επιγραφή:
«+ ΤΙΜΟΘΕΟC ΕΛΕΩ ΘΥ ΑΡΧΙΕΠΙCΚΟΠΟΣ ΚΩΝCΤΑΝΤΙ ΝΟΥΠΟΛΕΩC ΝΕΑC ΡΩΜΗC Κ ΟΙΚΟΥΜΕ ΝΙΚΟC ΠΑΤΡΙΑΡΧΗC».
Το κείμενο του σιγιλλίου είναι γραμμένο πάνω σε περγαμηνή διαστάσεων 68x50 εκ. και φέρει πέραν της πατριαρχικής, την υπογραφή 44 αρχιερέων. Το σημαντικό αυτό κειμήλιο, περιήλθε -πιθανώς προερχόμενο από τη Μονή Πεντέλης- στο Γρηγόριο Μπουρνά, ο οποίος το παρεχώρησε στο Δημήτριο Καμπούρογλου, που πρώτος το δημοσίευσε, με κάποια παροράματα, στον Α’ τόμο της Ιστορίας των μνημείων των Αθηνών (σελ. 186-188). Αργότερα αποκτήθηκε από το Θών Ν. (επιμελητή των Ανακτόρων, συλλέκτη και στενό συνεργάτη του βασιλιά Γεωργίου Α’). Μετά το θάνατο του Θών, τα παιδιά του το δώρισαν στα 1907 στην Εθνική Βιβλιοθήκη. Φωτογραφία του σιγιλλίου καθώς και το πλήρες κείμενο δημοσίευσε ο Γεώργιος Λαδάς στο περί Καλησίων δοκίμιό του (σελ. 105-107).
Μετά την αποχώρηση του Νεκταρίου το 1586, ο Άγιος Νικόλαος Καλησίων πέφτει στην αφάνεια ως ένα από τα μετόχια της Ι.Μ. Παντοκράτορος Ταώ. Μετά δε την καταστροφή αυτής, περί το 1680, θα προσαρτηθεί από την Ι.Μ. Κοιμήσεως Θεοτόκου. Την τρίτη δεκαετία του 18ου αιώνα, κατοικείται πιθανώς από κάποιον ιερομόναχο το όνομα του οποίου ήταν Σεραφείμ και ο οποίος χρηματοδότησε την αγιογραφία του Αγίου Σπυρίδωνος, ως μέρος γενικότερου αγιογραφικού προγράμματος. Κάτω από την συγκεκριμένη απεικόνιση διαβάζουμε την επιγραφή:
«+ δέησις Του δούλου του Θεού Σεραφείμ ιερομονάχου».
Η πρόσφατη ιστορία του μονυδρίου είναι γνωστή στις γενικές της γραμμές. Το έτος 1923, επισκευάζεται με την φροντίδα της Καλλιόπης Δαγκλή ο ναός, όχι όμως και το ερειπωμένο κελί, παράλληλο προς αυτόν στα ανατολικά του, που φωτογραφίζει και δημοσιεύει ο Αναστάσιος Ορλάνδος το 1933. Τον Νοέμβριο του 1950, εγκαθίσταται μία μοναχή με την μητέρα της και πραγματοποιεί στο βραχύ διάστημα που παρέμεινε κάποιες οικοδομικές εργασίες. Στα χρόνια 1955-1979 ασκητεύει στα Καλήσια ένας από τους πιο σημαντικούς γέροντες και πνευματικούς της Ελλάδος του 20ου αιώνα, ο πατήρ Πορφύριος. Τον διαδέχεται, έως την πρώτη μεγάλη πυρκαγιά της Πεντέλης, ο πατήρ Φώτιος Σκάνδαλος. Μετά την αναχώρησή του, το μονύδριο που ταλαιπωρήθηκε από την φωτιά, παραμένει κλειστό. Τελευταία το Υπουργείο Πολιτισμού πραγματοποιεί αναστηλωτικές εργασίες έτσι ώστε ο Άγιος Νικόλαος Καλησίων να καταστεί και πάλι ένα από τα πλέον ευπρόσωπα μνημεία του Πεντελικού όρους.