Домовый храм архистратига Михаила был основан в 1797 году при строительстве Михайловского замка по повелению императора Павла I. Храм освящен 8 (20) ноября 1800 года в день празднования Собора архистратига Михаила и прочих Небесных Сил бесплотных. Освящение совершил архиепископ Санкт-Петербургский Амвросий в присутствии императорской семьи.
Храм располагался в западной части замка и был выполнен в стиле классицизма с элементами барокко по проекту архитектора Винченцо Бренны. Иконостас храма был изготовлен из цветного мрамора с порфировыми колоннами, инкрустированными лазуритом. Первоначальные царские врата из серебра с живописными медальонами работы Ф.И. Яненко были утрачены в 1801 году и заменены посеребренными.
После убийства императора Павла I в 1801 году храм был временно закрыт. Богослужения возобновились в 1802 году после возвращения части церковной утвари. В 1823 году хоры храма были разобраны, а пространство разделено на два этажа для нужд Главного инженерного училища, разместившегося в замке.
В 1918 году храм был закрыт, его утварь передана в музейные фонды. Помещение использовалось как склад Военно-инженерного училища. В 1991 году храм вошел в состав Государственного Русского музея. Реставрационные работы позволили сохранить первоначальное архитектурное оформление интерьеров.
С 1993 года в храме периодически совершаются богослужения. В 2019 году храм был открыт для посещения как часть музейной экспозиции Михайловского замка. Сохранились элементы первоначального убранства, включая роспись плафона работы Карло Скотти с изображением Новозаветной Троицы.