В 1221 году святой князь Георгий Всеволодович основал Нижний Новгород и построил там первую деревянную церковь, посвященную святому Архангелу Михаилу. В 1227 году он заменил деревянную церковь каменной, которая стала придворным храмом нижегородских князей после утверждения великокняжеского престола в городе. Однако к 1359 году церковь сильно обветшала, и великий князь Андрей Константинович построил на ее месте новый каменный храм, стены которого сохранились до наших дней.

Архангельский собор за время своего существования неоднократно страдал от нападений и пожаров. К началу XVII века он нуждался в капитальном ремонте, который был проведен в 1624-1631 годах при царе Михаиле Федоровиче за счет царской казны. В ходе обновления изменился внешний вид храма: своды были разобраны, и на старых стенах появился каменный шатровый верх, сохранившийся до сих пор. В 1672 году к собору был пристроен придел во имя святого Евангелиста Иоанна Богослова, заменивший сгоревшую деревянную церковь. Пожары в Кремле в 1704, 1711 и особенно в 1715 годах нанесли собору значительные повреждения, и он был закрыт для богослужений. В 30-х годах XVIII века собор был восстановлен усилиями вице-губернатора Волынского, который устроил новый иконостас и снабдил храм необходимой утварью. Собор был освящен 18 марта 1732 года. В 1795 году придел собора был обновлен князем Долгоруким, который освятил престол не только во имя Евангелиста Иоанна, но и святого князя Георгия, основателя города. В период самостоятельности Нижегородского великокняжества собор был придворным храмом, а позже стал усыпальницей потомков князя Константина Васильевича. Здесь покоятся князь Василий, сын Симеона Кирдяпы, его сын Иван Васильевич Горбатый-Суздальский, князь Иван Васильевич, сын Василия Кирдяпы, и князь Василий Юрьевич, племянник Ивана Васильевича Кирдяпы. Также здесь погребены князья Петр, Зиновий, Зосима, Иона и княгиня Ирина.

Среди древних икон собора выделяются явление Архангела Михаила Иисусу Навину, относящееся к XIV веку, Киево-Печерская икона Божией Матери, иконы преподобной Марии Египетской, святого Николая Мирликийского и Воскресения Христова. В соборе хранится плащаница, шитая золотом и шелками, напрестольный крест с частицами мощей, приложенный боярином Головиным.

16 февраля 2006 года Нижний Новгород посетил Президент России Владимир Путин, который возложил цветы на могиле Кузьмы Минина в усыпальнице собора. В 2008 году рядом с собором был установлен памятник князю Юрию Всеволодовичу и епископу Симону Суздальскому, открытие которого состоялось 17 февраля. В этот день во всех храмах города прошла праздничная литургия, а памятник освятил архиепископ Георгий. 16 марта 2009 года собору были переданы 9 колоколов от депутатов Нижегородского законодательного собрания. 26 марта 2009 года на звонницу был установлен самый большой колокол, весом 530 кг. В сентябре 2009 года храм посетил Патриарх Кирилл, который почтил память Кузьмы Минина и совершил заупокойную литию, подарив собору Казанскую икону Божией Матери.