Считается, что деревянный Михаило-Архангельский храм был построен в Ярославле в 1215 году. Та церковь просуществовала до 1295 года, когда на её месте было возведено аналогичное сооружение. По преданию, с XIII века здесь, среди прочих, хранился образ Михаила Архангела, который теперь находится в фондах Государственной Третьяковской галереи.
Каменный храм, посвящённый Михаилу Архангелу, построили в 1657-1680 годах на средства прихожан. Собор находился в Стрелецкой слободе и с тех пор служит в качестве гарнизонного храма. В 1731 году артель местных мастеров под руководством Фёдора Фёдорова и Семёна Горина расписала стены летнего храма. Ровно через 50 лет в одном из приделов была оборудована тёплая Благовещенская церковь. В 1761-1825 годах священник Семён Егоров вёл «Келейную запись», ставшую летописью этого храма.
Во время Ярославского восстания 1918 года церковь пострадала при артиллерийском обстреле. Гарнизонный храм был закрыт в 1924 году, тогда же были расхищены его иконы и утварь. Устроенные внутри перегородки нанесли существенные повреждения настенным росписям. Арочные ворота ограды и изразцы паперти были частично утрачены. В 1994 году Михаило-Архангельский храм вернули верующим. Ежегодно в августе церковь становится одной из площадок фестиваля хоровой и колокольной музыки «Преображение». Неподалёку расположен комплекс Спасо-Преображенского монастыря, где базируется музей-заповедник.
