Įrengus Kauno tvirtovės gynybinius fortus, 1888–1891 m. miesto centre, dabartinėse Gedimino, Kęstučio, K. Donelaičio gatvėse, iškilo ištisas kompleksas administracinių tvirtovės pastatų. Projekto autorius ir statybos darbų vykdytojas – karo inžinierius, papulkininkis Konstantinas Limarenka. 1890 m. lapkričio 10 d. Peterburgo architekto akademiko D. Grimo pakoreguotą projektą patvirtino Rusijos caras Aleksandras III.

Stačiatikių soboras planuotas statyti kaip reprezentacinis tvirtovės statinys, išreiškiantis prabangą ir oficialumą. Pasirinkta bazilikinės šventyklos forma turėjo sušvelninti konfesinį priešiškumą ir priminti bendras krikščionybės ištakas. Pagrindinis pastato tūris vientisas, artimas kubui. Jį vainikuoja 5 kupolai – didelis pagrindinis ir 4 mažieji.

1891 m. birželio 29 d. pašventintas kertinis akmuo. Mūro darbus atliko meistrai iš Černigovo gubernijos. Naudotos patvarios medžiagos ir modernios tuo metu statybos technologijos. Plytos buvo gaminamos tvirtovės inžinierių valdybos plytinėse. Grindys išklotos spalvotomis metlacho plytelėmis, presbiterinėje dalyje – marmuro plokštėmis. Šlifuotas granitas cokoliui ir laiptams atgabentas iš Suomijos. Sraigtiniai laiptai, stogo kraigų ir mažųjų kupolų tvorelės lietos iš ketaus. Rūsyje įrengtas centrinis šildymas su keturiais kaloriferiais, atvežtais iš Varšuvos. Statant soborą pirmą kartą Lietuvoje sumontuotas 16,3 m skersmens gelžbetoninis kupolas.

1894–1895 m. dekoruotas vidus. Viso pastato dekore išskirtinai gausu graikų, arba dar vadinamo karių, kryžiaus motyvų. Architektūra primena senąsias pravoslavų cerkves. Įrengtas ikonostasas turėjo 122 paveikslus. Mažuosiuose kupoluose pakabinta 12 varpų, vienas jų nulietas 1618 m. Karaliaučiuje. Šventovės statybai sunaudota 4 300 000 plytų, o kainavo 375 000 rublių. 

1895 m. rugsėjo 17 d. pastatas konsekruotas šventųjų apaštalų Petro ir Povilo soboru (Petropavlovskij sobor) ir iki 1915 m. rugpjūčio 17 d. priklausė Rusijos imperijos karinėms žinyboms. 

1915 m. Vokietijos imperijai užėmus Kauną, sobore laikytos pamaldos kariams evangelikams liuteronams. Vokiečiai išvežė varpus, nuo mažųjų kupolų nuplėšė cinko skardą.

1919 m. soboras pripažintas valstybės nuosavybe, jis perduotas Kauno karinei įgulai ir tituluotas šv. Arkangelo Mykolo vardu. 1934 m. Krašto apsaugos ministerijos lėšomis bažnyčia buvo remontuojama. Uždažyti slaviški užrašai ir tapyba pilonuose, perdengti kupolai. Dailininkas Vladas Didžiokas su mokiniais pertapė apsidę į siužetą „Kristus, gerasis piemuo“.

1991 m.. sprendimu Kauno miesto Deputatų Taryba Šv. Mykolo Arkangelo bažnyčią grąžino Kauno arkivyskupijos kurijai. Tais pačiais metais jos kupoluose vėl iškelti kryžiai, kuriuos be atlygio nuliejo „Centrolito“ gamykla. 1992 m. birželio 7 d. pirmose šv. mišiose dalyvavo visų Lietuvos kariuomenės karinių struktūrų atstovai, didelis būrys dvasininkų, valstybės atstovų. 

Pastatas įrašytas į LR Nekilnojamųjų kultūros vertybių registrą.