Первоначально на этом месте находилась деревянная Михаило-Архангельская церковь, точная дата постройки которой неизвестна. В 1842 году она была отремонтирована, а в 1887 году — полностью перестроена на средства балашовского купца Ивана Петровича Бородулина. В штате причта состояли священник, диакон и псаломщик. Главный престол церкви был освящен во имя святого Архангела Михаила, придельный — в честь Покрова Божией Матери.
В 1929 году храм был закрыт. 1 апреля 1945 года православной общине было передано в безвозмездное пользование здание бывшего молитвенного дома баптистов для обустройства в нем храма. Алтарь изначально, как у большинства протестантских храмов, был ориентирован на север, где сейчас располагается хоровой балкон. В 1945 году было пристроено каменное помещение с восточной стороны, освящённое как алтарь. В окне с западной стороны был проделан главный вход (ныне заделан). Купола и колокольня были пристроены позже. В настоящее время храм имеет статус кафедрального собора. Здание храма является объектом историко-культурного наследия.
Архитектурно здание представляет собой кирпичное сооружение с элементами, характерными для культовых построек начала XX века. Фасады украшены декоративными элементами, включая арочные окна и зубчатые башенки. Внутреннее пространство храма включает в себя главный зал с хоровым балконом, расположенным на северной стороне, и придел, посвящённый Покрову Божией Матери, находящийся на втором уровне. Иконостас выполнен в традиционном православном стиле, с использованием резьбы и позолоты.
В настоящее время кафедральный собор является центром духовной жизни города Балашова. При храме действует воскресная школа, где преподаются основы православного вероучения и церковное пение. Духовенство храма окормляет Балашовскую школу-интернат, организует сбор и раздачу одежды нуждающимся, а также проводит благотворительные обеды.
