Первый деревянный Архангельский собор в Кремле возник на месте нынешнего, возможно, ещё во время княжения Михаила Хоробрита, брата Александра Невского, в 1247—1248 годах.
В 1333 году, за лето, Иван Калита построил новый каменный храм — по обету, в благодарность за избавление Руси от голода, вызванного пошедшей в рост и не давшей зёрен рожью. Новый Архангельский собор был освящён митрополитом Феогностом 20 сентября 1333 года.
Существующий собор был сооружён в 1505—1508 гг. под руководством итальянского зодчего Алевиза Нового на месте старого собора XIV века и освящен 8 ноября 1508 года митрополитом Симоном. С 1599 года по 1765 год при соборе состояли особые архиереи, обязанностью которых было совершать панихиды во дни поминовения князей и царей. С 1743 года по 1883 год был кафедральным храмом Московской епархии. С 1771 по 1801 год протоиереем собора был Пётр Алексеев, крупный лексикограф, автор «Церковного словаря».
Согласно Высочайшему повелению, Святейший Синод указом от 23 февраля 1895 года за № 809 передал Архангельский собор из епархиального в Придворное ведомство со всем имуществом, капиталом и (временно) причтом.
К торжествам по случаю 300-летия дома Романовых (1913), в соборе были проделаны большие работы по реставрации и благоустройству, в частности, по рисунку великого князя Петра Николаевича была сооружена сень над гробницей царя Михаила Федоровича с 2-я массивными лампадами. Император Николай II, прибыв в Кремль 24 мая 1913 года, прошёл в Архангельский собор и возжёг лампады.Храм пятиглавый, шестистолпный, пятиапсидный, восьмипридельный с узким, отделённым от него стеной помещением в западной части (на втором ярусе — хоры, предназначавшиеся для женщин царской семьи). Выстроен из кирпича, декорирован белым камнем. В обработке стен широко использованы мотивы зодчества итальянского Возрождения (ордерные пилястры с растительными капителями, «раковины» в закомарах, многопрофильные карнизы). Первоначально главы храма были крыты чернолощёной черепицей, стены, вероятно, были окрашены красным, а детали — белым.
В интерьере — росписи 1652—66 (Фёдор Зубов, Яков Казанец, Степан Рязанец, Иосиф Владимиров и др.; реставрированы в 1953—55), резной деревянный позолоченный иконостас XVII—XIX вв. (высота 13 м) с иконами XV—XVII вв., паникадила XVII в.
В соборе находятся фрески XVI—XVII веков, а также деревянный иконостас с иконами XVII—XIX веков. Стенопись XVI века была сбита и написана вновь в 1652—1666 по старым прорисям иконописцами Оружейной палаты (Яков Казанец, Степан Рязанец, Иосиф Владимиров).
Всего в соборе 54 погребения, включая раки святых царевича Дмитрия Ивановича и Михаила Черниговского, 46 белокаменных орнаментированных надгробий 1636—37, бронзовые остеклённые футляры (1903).
В 1928 в крипту подвальной палаты южной пристройки Архангельского собора были перенесены также погребения женщин из династии Рюриковичей и Романовых (прежде родственницы великих князей и царей покоились в снесённом соборе Вознесенского монастыря).