В 1221 году был поставлен деревянный, а в 1227 году — 4-столпный 3-апсидный белокаменный собор с тремя притворами[2]. Полностью перестроен в 1359 году[2]. 23 апреля (3 мая) 1628 года под руководством зодчих Лаврентия Возоулина и его пасынка Антипа началось строительство существующего здания[2]. Восстановление велось в память о Нижегородском ополчении и было завершено в 1631 году[2].
В 1704 году, во время кремлёвского пожара, Архангельский собор был повреждён[2]. Службы были возобновлены 18 (29) марта 1732 года, храм был вновь освящен нижегородским архиепископом Питиримом[2].
В 2008 году неподалёку от собора был установлен памятник владимирскому князю Юрию Всеволодовичу и епископу Симону Суздальскому. Его открытие состоялось 17 февраля 2008 г. Во всех храмах Нижнего Новгорода в этот день служили праздничную литургию. Памятник освятил архиепископ Нижегородский и Арзамасский Георгий.
16 марта2009 года в дар Михайло-Архангельскому собору от депутатов Нижегородского законодательного собрания были переданы 9 колоколов[4]. 26 марта 2009 года на звонницу был установлен самый большой из колоколов собора — Законник[5], его вес — 530 кг[4].
В сентябре 2009 года храм посетил Патриарх Московский и всея Руси Кирилл. Патриарх почтил память патриота Кузьмы Минина, прах которого покоится в соборе, и совершил заупокойную литию[6]. В память о посещении он подарил собору Казанскую икону Божией Матери[6].