Собор Архангела Михаила в Сердобске был заложен 28 мая 1895 года по проекту саратовского архитектора Алексея Марковича Салько. Строительство велось в течение десяти лет и завершилось в 1905 году. Храм возводился как новый кафедральный собор взамен старой соборной церкви 1796 года, которая не могла вместить увеличившееся количество прихожан в связи с ростом населения города после проведения железной дороги в 1894 году.
При закладке фундамента были обнаружены человеческие останки в дубовых колодах, что свидетельствовало о существовании на этом месте старого кладбища при прежнем храме. Останки были перезахоронены на православном кладбище за городом по распоряжению епископа Саратовского Николая. Строительство велось из кирпича местного производства и камня, доставленного из Липецка. Московские промышленники поставляли цемент и известь.
Архитектурный проект собора был создан под влиянием Князь-Владимирского собора в Саратове, также построенного Салько. Храм представляет собой крестово-купольное сооружение в русском стиле высотой около 50 метров. В 1909 году внутренние стены были расписаны московскими художниками из мастерской «Наследники П.П. Пашкова». Главный престол освящен 2 апреля 1905 года во имя Архангела Михаила, правый придел — 4 октября 1905 года в честь Казанской иконы Божией Матери, левый придел — 18 сентября 1908 года во имя святителя Николая Чудотворца.
В 1937 году собор был закрыт и использовался как военный склад. Богослужения возобновились в 1946 году. В послевоенный период в храме было проведено паровое отопление. В 1980-1990-х годах осуществлена реставрация, включавшая ремонт крыши, барабана главного купола и восстановление обрушившихся хоров. В 1998 году установлен новый пятиярусный иконостас.
В 2012 году собор стал кафедральным храмом новообразованной Сердобской епархии. При храме действует духовно-просветительский центр, построенный в 2003-2009 годах.
