В 1765 году, когда уже полным ходом шло строительство Ижевского оружейного завода и плотины, было устроено первое заводское кладбище. При кладбище построили деревянную Свято-Троицкую часовню, которая относилась к первому Ижевскому храму Пророка Илии. Часовню перестроили в храм. В 1784 году храм освятили в честь Святой Троицы.

В 1810 году церковь сгорела во время большого ижевского пожара. На месте алтаря сгоревшего храма установлен крест под двускатным навесом и с иконкой.

В 1855 году на месте прежней Троицкой церкви построена большая каменная часовня 30-метровой высоты. Часовня освящена в честь Архангела Михаила.

В 1876 году духовенство и власти решили строить на месте Михайловской часовни новый храм. Начали сбор средств. В 1896 году избран строительный комитет храма Михаила Архангела. Проектирование храма решили поручить вятскому архитектору И. А. Чарушину. С 1896 по 1897 год были проделаны проектные работы, а в 1897 году торжественно заложено строительство Собора.

Основное строительство здания Собора было закончено в 1901-1907 году. Но еще предстояли работы по благоустройству храма. 4 ноября 1915 года состоялось торжественное освящение главного престола храма Михаила Архангела. Он открылся в качестве бесприходной церкви Ижевского завода, приписанной к Александро-Невскому Собору. Освящение совершил протоиерей Василий Успенский. Открытие и освящение Собора приурочили к 100-летию Ижевского оружия.

Полноценная жизнь Собора была очень не долгой. По архивным данным, всего девять лет, с 1908 по 1917 годы.

В 1923 (по другим источникам собор закрывали в 1929-1930 годах) году церковь закрыта, но вновь открыта по требованиям горожан.

В 1926 году, по распоряжению Митрополита Сергия (Страгородского), будущего Патриарха Московского и всея Руси (с 1943 года), создана Ижевская и Удмуртская Епархия. Михайловский Собор стал первым кафедральным в ее истории.

24 мая 1931 года арестован епископ Ижевский и Удмуртский Синезий (Зарубин), последний архиерей, которому в 1930-1931 годах несколько раз удалось провести богослужение в Михайловском Соборе. Весной 1932 года с Михайловского Собора сброшены и отправлены в переплавку все колокола. Сняты также девять больших крестов с глав и восемь малых с небольших шатров над круговой папертью.

В 1933 году в здание храма размещён музей.

В 1937 году начато разрушение Свято-Михайловского Собора. Кирпичи, изъятые из Собора, пошли на строительство мединститута, частично использованы для достройки здания пединститута (корпус № 2 УдГУ). В 1938 году доламывается подвальная часть Собора. Одновременно были ликвидированы внутрихрамовые захоронения священнослужителей. В этом же году в Ижевске расстрелян Архиепископ Сарапульский Алексий (Кузнецов), один из тех, кто в 1920 годы пытался спасти Собор от разграбления и закрытия.

В 1965 году вместо предполагавшегося театра на месте, где находился храм, возведен фонтан. Он расположился на месте алтаря придела во имя Святителя и Чудотворца Николая.

19 мая 2004 года на сохранившемся фундаменте был отслужен молебен и затем был заложен крест в основание фундамента. Через три года здание Собора возведено, установлены колокола и кресты. 16 мая 2007 года Митрополит Николай совершил освящение нижнего храма Собора. Митрополит Николай в сослужении духовенства Епархии совершил освящение престола, а также самого нижнего храма и примыкающих помещений на нижнем уровне воссоздаваемого Свято-Михайловского Собора в честь Веры, Надежды, Любови и матери их Софии. После чина освящения Митрополит Николай совершил первую Божественную литургию в нижнем храме в честь Веры, Надежды, Любови и матери их Софии Свято-Михайловского Собора.