Первое упоминание о храме на этом месте относится к XVII веку, когда в селе Талдом существовала деревянная церковь во имя Архангела Михаила. В 1755 году священник Антипа Федоров обращался к Тверскому архиерею с просьбой разрешить ремонт обветшавшего храма, а также пристроить придел во имя пророка Илии. Однако в 1778 году деревянная церковь была уничтожена пожаром.
После пожара жители Талдома приняли решение о строительстве каменного храма. Строительство началось в 1795 году и было завершено в 1800 году. 17 декабря 1800 года благочинный сообщил епископу Павлу, что 30 сентября 1800 года каменное здание церкви окончено «во всей исправности», в ноябре оба придела церкви были приготовлены, и он просил разрешения на их освящение. 7 января 1801 года состоялось освящение обоих приделов храма во имя пророка Илии и святителя Николая.
Сам же храм Архангела Михаила достраивался и украшался еще семь лет и только в январе 1808 года «тщанием прихожан был приведен к благополучному окончанию» и мог быть освящен. Освящение храма состоялось в июне 1808 года.
В последующие годы храм постоянно благоукрашался. В январе 1812 года деревянную крышу храма заменили на железную. В 1817 году церковь штукатурилась снаружи, так как до этого она была только «отбелена одним прыском и вся уже облиняла». В июне 1820 года в церкви устраивалось «по приличным местам стенное писание». В марте 1825 года строилась вокруг храма ограда, а поскольку в селе были еженедельные ярмарки, то в ограде размещались торговые лавки в пользу церкви.
В 1896 году под руководством архитектора П. А. Виноградова была проведена реконструкция фасадов, в результате чего внешний и внутренний облик храма претерпел значительные изменения. Церковь приобрела черты эклектики, сочетая в себе элементы различных архитектурных стилей.
В 1925 году, в период гонений на церковь, храм был закрыт властями. Колокольня, часовня и ограда были разобраны. В советское время здание церкви использовалось для различных нужд: в нем размещались башмачная фабрика, учреждения общепита и складские помещения.
В 1991 году храм был возвращен Русской Православной Церкви и передан верующим. С этого времени начались работы по восстановлению здания и возрождению приходской жизни. В 2000-х годах была восстановлена ограда по старым чертежам и фотографиям. В настоящее время продолжаются работы по восстановлению колокольни и реконструкции внутренних помещений.
Архитектурно Михаило-Архангельский храм представляет собой пятиглавое сооружение с двумя приделами — Никольским и Ильинским. Колокольня храма, выдержанная в русско-византийском стиле, является одной из его архитектурных доминант.
