В XI веке в северной части детинца города существовал пятинефный Михайловский собор, неоднократно упоминаемый в летописях и разрушенный в 1239 году при нашествии хана Батыя. Михайловская церковь построена на месте старой, фундаменты древнего собора с остатками стен раскопаны в 1949—1953 годах М. К. Каргером и в 1967 году М. И. Сикорским и В. А. Харламовым. В 1734 году церковь горела, но видимо, повреждения были незначительны и вскоре она восстановлена. В 1823 году первоначальный каменный купол заменен деревянным. Его можно увидеть на рисунке, выполненном Т. Г. Шевченко в 1845 году.
Церковь каменная оштукатуренная в плане близка к трехмастному типу. Вытянутое прямоугольное основное пространство перекрыто полуциркульным сводом с распалубками, к нему примыкают граненые апсида и притвор, перекрытые сомкнутыми сводами. Все здание накрыто двускатной крышей. Стены расчленены пилястрами, прорезаны окнами, которые увенчаны фронтончиками с орнаментальной и сюжетной лепкой. По периметру церковь опоясана фризом, украшенным поливными керамическими розетками. В интерьере сохранились росписи XVIII — XIX веков, принадлежащие художникам киевской школы живописи. К востоку от церкви расположены колокольня и келии с трапезной, соединенные в одно здание.
Здание кирпичное оштукатуренное вытянутое прямоугольное в плане с полукруглой проездной аркой и квадратным ярусом колокольни над ней, завершенным шатровым куполом, увенчанным главкой. Накрыто двускатной крышей, помещения перекрыты цилиндрическим сводом с распалубками над окнами. Стены расчленены пилястрами, опоясаны лепным орнаментальным фризом. Здание значительно пострадало в годы Великой Отечественной войны. Реставрировано в 1951 — 1953 годах. При реставрации использован рисунок Т. Г. Шевченко.
В церкви и колокольне размещается экспозиция отдела этнографии Переяслав-Хмельницкого государственного исторического музея. Здание является редким примером украинской архитектуры первой половины XVIII века.
В 2007 году была организована церковная община, которая все это время совершала богослужения в палатке, находившийся 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 продолжаются работы по установке центрального купола храма и обустройству прилегающей территории. Свято-Михайловский храм единственный в Переяслав-Хмельницком, где ежедневно отправляется Божественная литургия.
20 января 2011 года храм освятил архиепископ Переяслав-Хмельницкий Александр.
