Церковь построена в 1746-1770 годах. 30 декабря 1751 года нижний храм освятили в честь Рождества Христова и Архангела Михаила. Верхний летний храм был освящен в честь Владимирской иконы Божией Матери в 1770 году.

В 1854 году при содействии романовского городского головы И. А. Юрина и поддержке ярославского губернатора А. П. Бутурлина более 500 местных старообрядцев приняли единоверие, то есть признали юрисдикцию Святейшего Синода Русской Православной Церкви, сохранив, однако, дореформенные обряды. На свои деньги И. А. Юрин перестроил одну из романовских часовен, куда были перенесены около 90 икон из закрытых моленных старообрядцев-беспоповцев. На следующий год единоверцам передали Архангельскую церковь. В храме к тому времени существовало три придела: в честь Владимирской иконы Пресвятой Богородицы (освящен в 1770 году, вновь освящен по старому чину в 1855 году), Рождества Христова (освящен во имя Всемилостивого Спаса по старому чину в 1855 году) и Чуда святого Архистратига Божия Михаила в Хонех (позже упразднен). При церкви на средства купчихи Пелагеи Егоровны Демидовой содержалась богадельня для престарелых женщин из числа единоверцев.

Внутреннее убранство Архангельской церкви было одним из самых богатых среди единоверческих церквей. В храме хранилась поступившая из моленной известных купцов Ждановых большая икона Спасителя, по преданию написанная учеником преподобного Димитрия Прилуцкого.

В 1930-е годы храм закрыт, в нем находилась разместили типографию.

В 1989 году храм был возвращен Русской Православной Церкви.