Михайло-Архангельский Собор строился с 1895 по 1905 годы по проекту известного саратовского архитектора А. М. Салько. Развитие города к началу нового века расширело его границы и увеличило численность населения. Этому способствовало рост промышленных производств и прошедшая в 1894 году железная дорога. Соборная церковь, построенная в 1796 году, уже не могла вместить многочисленных прихожан. Назревала потребность в строительстве нового храма. Саратовская епархия, в чьем ведении была сердобская церковь, совместно с земской и городской управами приняли решение, что собор должен иметь лучшую архитектуру.
Весной 1895 года началось рытье котлована под здание.
Начало работ сопровождалось обнаружением на некоторой глубине человеческих останков, вероятно, происходящие из могил священнослужителей старого храма.
Пятиглавый, каменный собор появился в центре Сердобска в начале XX века. Главный престол во имя Архистратига Михаила был освящён епископом Саратовским и Царицынским Гермогеном 2 апреля 1905 года. Строился собор 10 лет, с 1895 по 1905 годы, по проекту саратовского архитектора А. М. Салько. Интерьер храма росписями и орнаментами был сделан в 1909 году московскими художниками школы П. П. Пашкова.
В 1937 году собор закрыли. От разрушения храм спасло то, что в нём разместили военный склад. По просьбе прихожан в конце Великой Отечественной войны собор разрешили открыть. В 1946 году он вновь был освящён. В соборе проведены восстановительно-реставрационные работы.
В 1993 году были установлены новые колокола. При соборе действует воскресная школа.