Собор був зведений у 1856 році коштом житомирського купця і мецената Михайла Хаботіна, який прагнув подарувати місту перший мурований православний парафіяльний храм.
Будівля собору є пам'яткою архітектури XIX століття та поєднує риси класичної храмової архітектури свого часу. За понад півтора століття існування святиня пережила складні історичні події: у радянський період храм був закритий, використовувався як склад, адміністративна будівля та театр ляльок, а його дзвіницю й частину куполів було зруйновано. Лише після відновлення незалежності України собор повернули релігійній громаді, після чого розпочалася масштабна реставрація.
Усередині храму збереглися фрагменти оригінального іконопису XIX століття, а сучасний інтер'єр прикрашають масштабні розписи, виконані в унікальному українському стилі з використанням традиційних технік. Саме тут реалізується один із найцікавіших проєктів сучасного українського сакрального живопису.
Сьогодні Свято-Михайлівський кафедральний собор є не лише місцем богослужінь, а й важливим духовним і культурним центром Житомира. Біля храму встановлено пам'ятник митрополиту Іларіону (Огієнку), а сама святиня приваблює паломників і туристів своєю історією, архітектурою та особливою атмосферою.