Строительство собора началось в 1696 году и завершилось в 1705 году. Он был возведён на месте обветшавшей деревянной церкви, посвящённой Архангелу Михаилу, существовавшей ранее. Инициатива строительства принадлежала местным прихожанам, которые стремились создать более прочный и величественный храм. В создании иконостаса и настенной росписи собора принимали участие известные иконописцы Кирилл Уланов и Тихон Филатьев, мастера Оружейной палаты. Собор представляет собой пятиглавый храм в духе московского зодчества того времени.
В середине XVIII века рядом с собором была построена каменная церковь Иоанна Милостивого, которая впоследствии была заменена на церковь Иерусалимской иконы Божией Матери. Эта замена была обусловлена необходимостью расширения и обновления храмового комплекса для обеспечивания духовного окормления растущего населения города.
В период с 1849 по 1853 годы по проекту московского архитектора Михаила Бове была возведена каменная колокольня в русском стиле. Строительство финансировалось бронницким купцом первой гильдии Иваном Кононовым. Колокольня стала высотной доминантой не только храмового комплекса, но и всей городской застройки Бронниц.
В 1862—1865 годах трапезная собора была расширена на средства придворного фабриканта церковной утвари Николая Даниловича Полтавцева и купца Ивана Кононова. В этот же период была проведена реставрация собора, а также перепланировка Иерусалимской церкви, поскольку первоначальное её пространство оказалось тесным для прихожан.
В советский период храмовый комплекс пережил значительные изменения. В 1922 году из собора были изъяты некоторые церковные реликвии в пользу голодающих Поволжья. Позднее в здании колокольни разместились пожарные, в соборе — районный архив, а в Иерусалимской церкви сначала находилось зернохранилище, а впоследствии — Всесоюзная книжная палата. К началу Великой Отечественной войны все храмы в Бронницах были закрыты.
Возрождение храмового комплекса началось в конце 1980-х годов. Современная община Архангельского собора была зарегистрирована в 1989 году, а первое богослужение после долгого перерыва состоялось в 1990 году. С 1993 года при храме действует воскресная школа. Соборный комплекс является объектом культурного наследия федерального значения.
