План строительства Собора был одобрен 8 апреля 1874 года, а 26 мая произошла закладка первого камня. Однако окончилось возведение храма лишь спустя 16 лет. Одна из причин затянувшегося строительства – неблагоприятные внешнеполитические условия.
К началу русско-турецкой войны уже были возведены стены Собора и готова трапезная. Во время одной из бомбардировок, проводимых с турецких кораблей, пушечное ядро попало в стену церкви. Здесь оно находилось до очередной реконструкции, проведённой в конце 20 века.
После окончания войны стройка продолжилась. Преодолев много сложностей, связанных со скудным финансированием, 25 октября 1890 года Собор удалось достроить полностью. А в 1934 году большевиками решено было разрушить храм. Сотрудникам управления удалось оформить его как склад, только это и спасло Собор от полного уничтожения. Однако всё-таки он был повреждён частично: с него сняkb шатёр колокольни и барабан с луковицей и крестом. Службы продолжили проводить в храме лишь спустя 9 лет, тогда же начались восстановительные работы.
В 1981 году Собор был признан памятником архитектуры, хотя его внешний вид уже был далёк от первоначального. И лишь в 1992-1994 годах после реконструкции, храму был возвращён его старинный облик.
Сегодня рядом с Собором Архангела Михаила находится целый православный комплекс, состоящий из храма-крестильни во имя Иверской иконы Божьей Матери, административного здания, а также других сооружений. 10 мая 2006 года рядом с Собором была установлена монументальная колонна, увенчанная семиметровой скульптурой Архангела Михаила, которая является одной из достопримечательностей Сочи.