Деревянная церковь построена не позднее 1705-1706 годов. Церковь сгорела в 1723 году. Через два года в 1725 году построена новая деревянная церковь.

Кирпичный храм Архангела-Михаила заложен в 1741 году. Церковь освящена в 1751 году. Храм построен по инициативе атамана казачьего войска Андрея Бородина. В 1773 году вокруг собора построена крепость, в которой комендант Симонов с гарнизоном и частью казаков оборонялся от Е.И. Пугачева. В конце 18 века река Урал стала менять свое течение и подмывать берег, на котором стоял собор. Для укрепления берега у собора в 1780 году оренбургский генерал- губернатор Рейнсдорп выделил для укрепления берега 300 деревьев мореного дуба. В соборе Архангела-Михаила служба совершалась по-старообрядчески, он был единоверческим, за ним закрепилось название Старый собор. С 1862 года усердиями прихожан в Михайло-Архангельском соборе установлены печи. В 1861 году к собору пристроена трапезная часть и колокольня.

После революции 1917 года, в годы гражданской войны и в начале 1930-х годов собор неоднократно открывался и закрывался. До начала Великой Отечественной войны около 10 лет собор пустовал и перед войной в одном из приделов собора был организован небольшой музей Е.И.Пугачева. В 1940 году в Старом соборе открылся антирелигиозный музей. В 1943 году Собор возвращен верующим и до 1961 года в нем совершались богослужения. С 1961 года по распоряжению местной власти собор закрыт и до 1966 года пустовал. С 1966 года по 1988 год в нем находился областной краеведческий музей. Городские власти за этот период осуществили ремонт крыши и куполов собора.

В 1988 году, в год 1000-летия крещения Руси, верующие Уральска обратились в Исполком городского Совета народных депутатов с просьбой возвратить собор православным. В 1989 году, с разрешения Совета по делам религий при Совете Министров СССР, здание собора возвращено верующим религиозной общины русской православной церкви. Летом 1989 года епископ Алма-Атинский и Казахстанский Евсевий (Саввин) освятил возвращенный собор. Первым настоятель собора протоиерей Алексий Бородай. Первоначальные труды по открытию собора понесли протоиерей Владимир Корчажников и Павел Николаевич Чечин, впоследствии ставший священником собора. С образованием Уральской Епархии в 1991 году и назначением первого Правящего Архиерея - Преосвященного Антония (Москаленко), Собор стал Кафедральным. В 1997-1998 годах произведена реставрация иконостаса, проведена большая работа по сохранению фресок, выполнен наружный и внутренний ремонт помещений, позолочены купола и сооружены новые киоты, установлены новые колокола, благоустроена прилегающая к собору территория, положена брусчатка и заасфальтирована площадь, разбиты цветники и клумбы.