В середине XVIII века жители Аткарска построили деревянную церковь во имя святого Михаила Архангела на сельском кладбище. Впоследствии, в период с 1807 по 1818 годы, на месте деревянной церкви был возведен каменный собор. Строительство продолжалось несколько лет, и в 1865 году здание было основательно перестроено и расширено. В ходе реконструкции колокольня была разобрана и возведена заново. В результате этих работ Михаило-Архангельский собор стал трехпрестольным с приделами во имя Покрова Пресвятой Богородицы и Николая Чудотворца. В штат причта входили протоиерей, два священника и три псаломщика, для которых были построены церковные дома.
В советский период, когда многие религиозные учреждения подвергались закрытию, Михаило-Архангельский храм не стал исключением. Здание храма использовалось под различные нужды, что привело к утрате многих элементов внутреннего убранства и архитектурных деталей.
В последующие годы, с изменением государственной политики в отношении религии, начался процесс возвращения храмов Русской Православной Церкви. Михаило-Архангельский храм был возвращен верующим, после чего начались работы по его восстановлению и реставрации. Были проведены мероприятия по восстановлению архитектурного облика здания, воссозданию интерьера и возобновлению богослужений.