Город был основан в 1757 году во времена правления Елизаветы Петровны. Первые поселенцы, новокрещённые чуваши, в честь одного из которых город получил своё название. Вскоре в Белебее построили первую деревянную церковь во имя святого Архангела Михаила. Однако во время пугачёвского восстания чуваши присоединились к бунту и сожгли церковь около 1774 года. В 1781 году Белебей стал уездным городом Уфимского наместничества Оренбургской губернии, и на месте сожжённой церкви возвели вторую деревянную Михаило-Архангельскую церковь.

Спустя 35 лет город был готов к строительству каменного храма. Проект начался в 1815 году, когда из Оренбургской Духовной консистории была выдана книга для сбора пожертвований. Этим занимался отставной вахмистр Александр Мальзев. В 1820 году в Белебей был назначен протоиерей Димитрий Дмитриев. Строительство каменной церкви затянулось, началась заготовка материалов в 1822 году, а завершилось строительство в 1828 году. В ноябре того же года храм освятил архиепископ Амвросий II Морев.

Храм был выполнен в стиле классицизма, но по виду напоминал сельскую церковь. Фасады были оформлены строго, а крыша представляла собой купол с люкарнами. Колокольня была невысокой и приземистой. Новый каменный храм построили в глубине квартала, а не на месте старой церкви. По разным версиям, на месте прежней церкви был воздвигнут памятный знак, который позже заменили часовней. В конце XIX века на месте одной из старых церквей появилась кирпичная часовня в русском стиле, которая сохранилась и находится напротив нынешнего храма.

В 1879 году Михаило-Архангельская церковь стала соборной. В 1915 году прихожане решили расширить храм, перестроив его в трёхпрестольный в русско-византийском стиле. Купец Михаил Ягодкин внёс первую лепту, но перестройка не состоялась из-за исторических событий.

Церковь была закрыта в годы первых пятилеток, колокольня снесена, а здание использовалось как склад. В 1988 году, к 1000-летию Крещения Руси, здание вернули верующим и восстановили для богослужений. Купольная часть была хорошо отреставрирована, но колокольня воссоздана не в прежнем виде.

Сегодня Михайловский храм находится в центре исторической части Белебея, окружён зданиями-памятниками. В 1998 году в церкви освятили второй престол в честь Владимирской иконы Божией Матери. Среди святынь храма был образ святого Серафима Саровского, а также иконы с частичками мощей различных святых.