В XI веке в северной части детинца города находился пятинефный Михайловский собор, часто упоминаемый в летописях и разрушенный в 1239 году во время нашествия хана Батыя. На его месте была построена Михайловская церковь. Фундаменты древнего собора с остатками стен были раскопаны в 1949 и 1953 годах М. К. Каргером, а также в 1967 году М. И. Сикорским и В. А. Харламовым. В 1734 году церковь пострадала от пожара, но повреждения оказались незначительными, и вскоре она была восстановлена. В 1823 году первоначальный каменный купол заменили на деревянный, который можно увидеть на рисунке Т. Г. Шевченко, выполненном в 1845 году.

Церковь каменная, оштукатуренная, по плану близка к трехмастному типу. Основное пространство вытянутое, прямоугольное, перекрыто полуциркульным сводом с распалубками, к нему примыкают граненые апсида и притвор, перекрытые сомкнутыми сводами. Все здание накрыто двускатной крышей. Стены расчленены пилястрами и прорезаны окнами, увенчанными фронтончиками с орнаментальной и сюжетной лепкой. По периметру церковь украшена фризом с поливными керамическими розетками. В интерьере сохранились росписи XVIII и XIX веков, созданные художниками киевской школы живописи. К востоку от церкви находятся колокольня и келии с трапезной, объединенные в одно здание.

Здание кирпичное, оштукатуренное, вытянутое, прямоугольное в плане, с полукруглой проездной аркой и квадратным ярусом колокольни над ней, завершенным шатровым куполом с главкой. Оно накрыто двускатной крышей, помещения перекрыты цилиндрическим сводом с распалубками над окнами. Стены расчленены пилястрами и украшены лепным орнаментальным фризом. Здание сильно пострадало в годы Великой Отечественной войны и было реставрировано в 1951 и 1953 годах, при этом использовался рисунок Т. Г. Шевченко.

В церкви и колокольне расположена экспозиция отдела этнографии Переяслав-Хмельницкого государственного исторического музея. Здание является редким примером украинской архитектуры первой половины XVIII века.

В 2007 году была создана церковная община, которая проводила богослужения в палатке рядом с Свято-Михайловским храмом. В 2010 году указом Президента Украины комплекс сооружений был передан Православной Церкви. За это время были проведены ремонтно-реставрационные работы интерьера храма. Сейчас продолжается установка центрального купола и благоустройство прилегающей территории. Свято-Михайловский храм, единственный в Переяслав-Хмельницком, где ежедневно совершается Божественная литургия.

20 января 2011 года храм освятил архиепископ Переяслав-Хмельницкий Александр.