Первоначально на месте нынешнего Свято-Михайловского кафедрального собора располагалась церковь. Она была построена в 1856 г. на средства житомирского купца Михаила Хаботина. Общие затраты на храм составили огромную по тем временам сумму — около 37000 рублей! Это почти вдвое превышало годовой бюджет Житомира, который в те годы колебался в пределах 20000–21000 рублей.

Храм признан выдающимся памятником архитектуры XIX века. На стенах собора уцелело два фрагмента иконописи того периода. Следует отметить, что именно в Свято-Михайловском соборе был крещен Святослав Рихтер.

В 1917–1927 гг. церковь действовала как храм украинской автокефальной православной общины, а затем, под предлогом ремонта и обустройства, была закрыта и длительное время использовалась под склад.

В 1942 году немцы отдали храм верующим, и церковь действовала до 1960 года пока ее по «просьбе трудящихся» снова не закрыли. Были разрушены колокольня и малые купола, продолжительное время в здании работало областное общество «Знание», в Центральном зале расположился областной кукольный театр, а в подвалах снова устроили склад.

Третье рождение храма состоялось 21 ноября 1991 года, когда областные власти старинное здание передали общине Украинской автокефальной православной церкви. После образования Украинской православной церкви Киевского патриархата община вошла в ее состав. Храм получил статус кафедрального после образования Житомирско – Овруцкой епархии УПЦ КП.

В 2007 г. была проведена реставрация.