Für Konzerte mit Programmen von eher kammermusikalischem Charakter werden kleinere Ensembles gebildet, die je nach Größe als Kleiner Chor, Kammerchor oder Vokalensemble auftreten. Diese bestehen nicht dauerhaft in fester Besetzung, sondern werden für einzelne Projekte jeweils neu aus den Mitgliedern der Kantorei zusammengestellt.

So war Johann Sebastian Bachs Johannes-Passion – als Kontrast zur Aufführung der Matthäus-Passion durch die gesamte Kantorei – zu hören. Weitere Projekte waren u.a. die „Johannes-Passion“ von Leonhard Lechner, die „Geistliche Chormusik von 1648“ und die „Musikalischen Exequien“ von Heinrich Schütz, das Oratorium „Historia de Jephte“ von Giacomo Carissimi und Motetten aus dem „Israelis Brünnlein“ von Johann Hermann Schein.

Zu besonderen Anlässen wie z.B. dem 79. Deutschen Bachfest oder dem Mozartjahr 2006 trugen kleine Ensembles aus der Kantorei St. Nikolai in eigenen Konzerten mit außergewöhnlichen Programmen wie „Preziosen und Raritäten“ von Mozart bei.

Anlässlich der Hamburger Schütz-Tage der Internationalen Heinrich-Schütz-Gesellschaft gab der Kammerchor ein vielbeachtetes Konzert mit dem Titel „Hamburger Vokalmusik der Schütz-Zeit“ mit Wiederaufführungen heute selten zu hörender Werke, darunter etliche der damaligen Hamburger Musikdirektoren Thomas Selle und Christoph Bernhard.