10 июня 1811 года в Константиногорской крепости (ныне Пятигорск) скончался генерал и сенатор граф М.П. Румянцев. Осенью архимандрит Товия, принимавший участие в погребении Румянцева, письменно обратился к его брату, графу Сергею Румянцеву, с предложением построить у могилы храм во имя Архангела Михаила. В то время идея не получила поддержки и вскоре забылась.

С учреждением в 1882 году Константиногорской слободки в северо-западной части Пятигорска для строителей местной железной дороги, появилась потребность в сооружении тут новой православной церкви. С просьбой о помощи жители поселка обратились к инженеру И. Д. Иноземцеву, который охотно согласился. Наместник Кавказа великий князь Михаил Николаевич поддержал начинание, и вскоре было получено разрешение епархиального начальства. В 1883 году был составлен и утвержден проект каменного храма. Его автором предположительно стал известный областной архитектор В. И. Грозмани. Постройка храма началась 10 мая 1884 года. Камень из карьера доставляли на станцию Пятигорск, где он разгружался жителями слободки. Храм возводился в порядке народной стройки во внерабочее время и в праздничные дни. Строительные материалы: лес, цемент, железо, стекло приобретали на деньги, собранные жителями поселка. Главным инициатором строительства и сбора денежных средств был протоиерей Иоанн Беляков, впоследствии настоятель храма, прослуживший в нем до конца своих дней. Обычно с историей завершения строительства связывают имя архитектора А.Н. Клепинина.

Храм был освящен во имя святого Архангела Михаила, в честь последнего наместника Кавказа - великого князя Михаила Николаевича. Церковь была приписана ко 2-му благочинию Владикавказской епархии. 20 апреля 1898 года храм освятил епископ Владикавказский Владимир.

В 1900 году к востоку от храма было построено здание церковно-приходской двухклассной школы, позже преобразованной в начальную четырехклассную. В этом же году был построен дом для священника. В феврале 1915 года на храм был поднят новый большой колокол.

В годы богоборческого лихолетья, Михаило-Архангельский храм оставался открытым дольше большинства прочих церквей Пятигорска – его закрыли лишь в 1936 году. Во время оккупации немецко-фашистскими войсками в 1942 году храм был вновь открыт, отремонтирован и в нём возобновились богослужения.

Когда начался процесс возрождения церковной жизни в СССР трудами митрополита Ставропольского Гедеона, храм был возвращен верующим. В 1990 году было принято решение № 1213 «...на основании решения Совета по делам религии при Совмине СССР (протокол №9) Пятигорскому хладокомбинату передать здание Михайловской церкви на баланс Ставропольской и Бакинской епархии». При этом дом для церковного причта верующим возвращен не был и использовался как детский сад.

На то время не было известно ни одного изображения храма и проект восстановления куполов составил пятигорский архитектор А.П. Миненко. С помощью вертолета был водружен главный купол. А через некоторое время после восстановления куполов в Пятигорском Краеведческом музее была обнаружена фотография начала XX века, засвидетельствовавшая, что формы купола соответствуют оригиналу. По благословению владыки Гедеона 21 ноября 1990 года о.Георгий Малахов провёл первое богослужение во вновь открывшемся храме.

Пошли восстановительные работы «всем миром». Из фондов епархии поступили необходибые богослужебные предметы. Несмотря на проводимые реставрационные работы, с 7 июля 1991 года церковные службы совершались постоянно. Постепенно были приобретены паникадила, лампады, подсвечники; в алтаре новый семисвечник, ризы на престол и жертвенник. Обстроили звонницу, возвели и расписали украшенные сусальным золотом и резьбой иконостасы трех приделов: центрального Михаило-Архангельского, левого – в честь святителя Тихона, патриарха Московского, и правого – в честь праведного праотца Гедеона. 3 мая 1998 года чин великого освящения храма совершил митрополит Ставропольский Гедеон. 31 мая того же года был освящен правый придел, а 8 октября – левый.

16 декабря 1999 года указом №239 патриарх Московский и всея Руси Алексий II возвел храм в достоинство собора.

С 1996 по 2001 год во дворе собора велось строительство крестильного храма Новомучеников и Исповедников Российских и подсобных помещений. Впоследствии было также возведено здание трапезной для прихожан и просфорной.

В марте 2004 года собор получил статус памятника истории и культуры. Около начала 2011 года к собору состояли приписными храмы гимназический во имя праведного Иоанна Кронштадтского и больничный во имя апостола и Евангелиста Луки. В этом году, в связи с возрождением Пятигорской епархии, собор стал кафедральным на срок до завершения восстановления городского Спасского собора.