De bouw van de kathedraal werd in het begin van de 13e eeuw aangevat onder de leiding van hertog Hendrik I van Brabant. Tot aan de opsplitsing van het bisdom Mechelen in 1961 was het een collegiale kerk die gewijd was aan Sint-Michiel en waarin in 1047 een kapittel ter ere van Sint-Goedele werd gesticht. In de tweede helft van de 20e eeuw werd het aartsbisdom Mechelen heringedeeld: enerzijds werd het bisdom Antwerpen afgesplitst (de O.L.Vrouwkerk van Antwerpen werd als Onze-Lieve-Vrouwekathedraal de kathedraal van dit nieuwe bisdom). De rest van het vroegere bisdom Mechelen werd herdoopt tot het aartsbisdom Mechelen-Brussel. De primaat van België behield, zoals voordien, zijn zetel te Mechelen in het aartsbisschoppelijk paleis. De hoofdkerk van Brussel werd tot co-kathedraal verheven, naast de Mechelse Sint-Romboutskathedraal. Rond 2000 ontstond de traditie om de kathedraal naar Sint-Michiel en Sint-Goedele te noemen (voluit: Collegiale Sint-Michiels- en Sint-Goedelecokathedraal). Het archief van de kathedraal wordt bewaard in het Rijksarchief te Brussel.
De kathedraal werd gebouwd met gobertangesteen uit de steengroeven van Dilbeek. De gewelfhoogte van het schip is 26,5 meter. Het laatste kwart van de 20e eeuw vond de meest intensieve restauratiecampagne van de Sint-Michielskathedraal plaats. Dat het middeleeuwse gebouw meerdere constructieproblemen had (onder andere inefficiënte positionering van de luchtbogen) was al langer bekend. Tijdens vroegere restauraties was men er nooit in geslaagd deze constructieproblemen op te lossen. In sommige gevallen waren ze zelfs verergerd. Bij de laatste restauratie slaagde men er evenwel in de constructie voor lange tijd te stabiliseren. Een hele rits secundaire problemen, zoals waterinsijpeling, werd eveneens grondig aangepakt. De monumentale trap voor de kathedraal, ontworpen door Pieter Paul Merckx, is geplaatst in de periode 1702-1707. Het was een geschenk van de stad Brussel. Oorspronkelijk was de trap aangebouwd tegen de stadsmuren om toegang te verschaffen tot de promenade ingericht op het stuk tussen de Lakensepoort en de Schaarbeeksepoort.
De naturalistische preekstoel van Hendrik Frans Verbruggen is in 1696-1699 gemaakt voor de Sint-Michielskerk van de Leuvense jezuïeten en in 1776 naar Brussel gebracht, na een ruiloperatie waarin keizerin Maria Theresia persoonlijk tussenkwam. Het is een overdonderend totaalkunstwerk, een synthese van de zondeval en de verlossing door de kerk. Onderaan verdrijft een aartsengel Adam en Eva uit het aards paradijs. Eva beschermt zich verschrikt met de arm terwijl ze in de andere hand nog de appel heeft. Adam verbergt angstig het hoofd. Uit de boom van de kennis van goed en kwaad kruipt een reusachtige slang die zich tot boven het klankbord kronkelt. Daar wordt ze verpletterd door de triomferende Maagd en haar Kind. Typisch voor Verbruggen zijn de twee fladderende engelen die het klankbord ‘optillen’. Jan Baptist van der Haeghen voegde aan weerszijden van de trap nog een haag met dierenfiguren toe.
In de kapel van het Sacrament van Mirakel wordt een belangrijke hoeveelheid edelsmeedwerk, borduurwerk en religieuze kunst bewaard. Verschillende relieken en kostbaar textiel zijn tentoongesteld, waaronder gewaden in zijde en gouddraad geborduurd geschonken door verschillende koningen en ook een kelk, gift van Leopold I. Beroemd is de reliek van het ware kruis, daterend uit de 14e eeuw.
Travel the world 