Строительство храма было инициировано в 1883 году в связи с потребностью жителей Константиногорской слободки, возникшей в северо-западной части Пятигорска, в собственном православном храме.Проект каменного храма был разработан инженером-архитектором В. И. Грозмани.
Закладка храма состоялась 10 мая 1884 года. Строительство велось силами местных жителей, которые в нерабочее время и в праздничные дни осуществляли основные строительные работы. Материалы для строительства, включая камень, доставлялись из карьера на станцию Пятигорск и разгружались жителями слободки. Финансирование осуществлялось за счёт пожертвований местного населения, а также при поддержке протоиерея Иоанна Белякова, который впоследствии стал первым настоятелем храма.
Архитектурно собор выполнен в неовизантийском стиле, характерном для того периода. Здание представляет собой каменную постройку с массивным центральным куполом, окружённым четырьмя меньшими куполами, расположенными на низких барабанах. Фасады украшены декоративными элементами, отражающими эклектичный подход в архитектуре конца XIX века.
Освящение храма во имя Святого Архангела Михаила состоялось 3 мая 1898 года епископом Владикавказским Владимиром (Сеньковским). С этого момента собор стал центром духовной жизни местного населения. В 1900 году при храме была открыта двухклассная приходская школа, позднее преобразованная в четырёхклассную начальную школу.
В 1936 году, в период антирелигиозной политики советской власти, собор был закрыт, а его здание использовалось для хозяйственных нужд, включая складирование химикатов, что привело к значительным повреждениям конструкции и утрате части внутреннего убранства. Во время немецкой оккупации в 1942 году храм был вновь открыт и отремонтирован, однако после войны его использование в качестве склада продолжилось.
В 1990 году здание собора было возвращено Русской Православной Церкви. Начались масштабные реставрационные работы, направленные на восстановление первоначального облика храма. Были воссозданы купола, восстановлены внутренние интерьеры и иконостасы. 3 мая 1998 года митрополит Ставропольский Гедеон совершил чин великого освящения храма, после чего богослужения возобновились на постоянной основе.
В 1999 году указом Патриарха Московского и всея Руси Алексия II храму был присвоен статус собора. С 1996 по 2001 год на территории собора велось строительство крестильного храма в честь Новомучеников и Исповедников Российских, а также вспомогательных помещений. Впоследствии были возведены здания трапезной и просфорной.
