Михайло-Архангельский собор был заложен в 1221 году при основании Нижнего Новгорода великим князем Владимирским Юрием Всеволодовичем. Первоначально храм был деревянным, а в 1227 году перестроен в камне. Строительство осуществлялось мастерами, работавшими ранее во Владимире и Суздале. Белокаменный четырехстолпный храм с тремя апсидами стал первым каменным сооружением города.
В 1359 году собор был полностью перестроен по велению князя Андрея Константиновича в период существования самостоятельного Нижегородско-Суздальского княжества. Храм служил домовой церковью великих князей и усыпальницей для представителей правящей династии. Среди погребенных в соборе - великие князья Василий Юрьевич, Иоанн Васильевич, Василий Васильевич и другие члены княжеских семей.
К началу XVII века здание пришло в ветхость. В 1628-1631 годах на средства государственной казны был возведен новый храм в память о Нижегородском ополчении 1612 года. Строительством руководили зодчие Лаврентий Возоулин и Антип Константинов. Храм выполнен в шатровом стиле, с уникальным соединением церкви и колокольни, позволявшим звонарю наблюдать за ходом богослужения.
В 1704 году собор пострадал от пожара и был восстановлен только к 1732 году. В 1962 году проведена реставрация под руководством архитектора С.Л. Агафонова, в ходе которой храму вернули первоначальный облик. В том же году в собор перенесены останки Кузьмы Минина из разрушенного Спасо-Преображенского собора.
С 1962 по 2000 годы в здании размещался филиал исторического музея. Богослужения возобновлены в 2000 году. В 2009 году на звонницу установлены новые колокола, включая главный колокол «Законник» весом 530 кг.