În subsolul bisericii actuale, mai precis sub sanctuar arheologii au descoperit vestigii ale unor construcții romane, precum și fragmente de statui. Urme ale creștinătății au fost descoperite numai din secolului al III.-lea.

Cetatea sau orașul interior actual, a fost – corespunzător tipului urban din secolul al IX-lea, a cetății regale de pază „Castrum Clus” – în acelaș timp tabără militară și post de pază al ținutului aparținător. Pe locul bisericii actuale a fost ridicată prima biserică creștină a cetății, pe latura răsăriteană a pieții. Aceasta biserică a fost distrusă în 1241 de tătari și a fost reconstruită numai după mai mult de un deceniu când vechea cetate a primit noi coloniști. În cripta de sub sanctuarul bisericii actuale au ieșit la iveală bazele zidurilor și podeaua de piatră de la lăcașul sfânt construit după năvălirea tătarilor în formă de cărămidă alungită.

Această biserică, mai mică decât cea de azi, avea tavan de lemn și era probabil de tipul bazilicilor cu trei nave, navele laterale fiind de înălțime și lățime mai mică decât cea principală. Ea a fost închinată Sfintei Fecioară Maria și Sfântului Anton și era vechea biserică parohială a orașului Cluj – Kulusvar. Așezarea aceasta, a pornit din nou pe drumul dezvoltării după distrugerea suferită.

Deoarece cu timpul vechea cetate precum și biserica nu mai puteau cuprinde populația în continuă creștere, a fost ridicată în actuala piață principală a orașului o altă biserică, închinată sfântului Jakob, care nu mai există. Regele Carol Robert de Anjou a conferit orașului privilegiile unui oraș liber regal – „Civitas Kulusvar” - și după obiceiul timplului locuitorii, au înălțat din recunoștintă o nouă biserică, începând construcția unei noi biserici. Biserica Sf. Mihail, biserica parohială a orașului Cluj.

Biserica din vechea cetate aparținea în timpul regelui Sigismund ordinului dominicanilor, care în cursul secolului XV a lărgit și a reconstruit biserica în nou stil al epocii, cel gotic și a ridicat treptat monumentala mănăstire existentă și azi. În 1428 aici și-a desfășurat activitatea cel de-al patrulea șantier de construcții eclesiastic. Ioan de Hunedoara, guvernatorul țării, a alocat în1455 pentru construcția biserici și mănăstirii Dominicanilor un ajutor anual, care a fost confirmat și de domnitorii ulteriori. Sanctuarul alungit, închis în trei laturi ale unui octogon și nava bisericii au fost acoperite cu o cupolă cu nervuri gotice dezvoltate, corespunzătoare stilului epocii. La peretele sudic al sanctuarului și al nevei au fost construite contraforturi pe lângă zidul nordic, păstrat însă în stil romantic au fost ridicate numai stâlpi interiori, deoarece de această latură se învecinează mănăstirea. Biserica gotică avea un fronton mare, triunghiular cu trei ferestre terminate în ogivă și cu un portal principal. Partea superioară cu ogivă gotică a ferestrei mijlocii din peretele fronzului este și astăzi vizibilă în spațiul podului, fiind folosită ca ușă de legătură între turn și pod. Sub această fereastră se află o rozetă de dimensiuni mari, astăzi zidită. Cele două ferestre laterale gotice ale turnului actual au fost degajate cu ocazia ultimei restaurări.

Părțile accesibile rămase din construcția gotică, sunt sacristia și sala regelui Matei numită și „sub Rosa” care se deschide din cea dintâi. Elementele cele mai importante și interesante din punct de vedere constructiv și stilistic ale sacristiei sunt nervurile bolții, cheile de boltă și fereastra cu cadrul ei sculptat. Coloana octogonală din mijlocul sălii Matei, structura bogată a nervurilor gotice sunt elemente de referință ale unor soluții arhitectonice ingenioase și grațioase. Realizarea plastică a coloanelor, jocul aerat, mlădios al nervurilor bolții este unică în architectura țării noastre.

Odată cu răspândirea Reformei religioase în Transilvania, călugării dominicani au trebuit să părăsească nu numai biserica din vechea cetate ci și orașul Cluj-Napoca. Biserica și mănăstirea alăturate au fost folosite după 1556 de diferite congregații protestante: luterani, calviniști, unitarieni. Timp de 8 luni mănăstirea a găzduit-o pe regina văduvă Isabella, ca pe urmă să devină școala unitarienilor dar și sașii evanghelici aveau o sală de rugăciuni. Biserica era folosită de reformații maghiari până în 1693. În acest an a revenit catolicilor, fiind administrată de călugării iezuiți până în 1724.

Ordinul Franciscanilor a primit în administrare biserica și în 13 iunie 1725 parohul Mihail Szabo a predat Biserica gotică lui Ștefan Antalffi, el fiind primul stareț al bisericii din Cluj-Napoca.

După ce în marele incendiu din 1697 a ars structura acoperișului, în 1727 s-a prăbușit cupola cu nervuri a biserici, deja avariate. Atunci călugării franciscani au început printr-o muncă asiduă, între 1728-1745, reconstrucția biserici gotice în stilul dominant al epocii: baroc, stil în care o putem vedea și azi.

Această recontrucție în stilul baroc s-a concretizat în realizarea interiorului bisericii, în construirea noii bolți și a acoperișului, în fațada principală și în stilul turnului nou. În nișa care se află deasupra ușii de intrare cu ancadramentul de piatră sculptată, a fost amplasată statuia Sfintei Fecioare Maria de stil baroc, patroana ordinului franciscan. În cele două nișe laterale ale fațadei, a fost amplasate statuile Sfântului Anton respectiv Sfântului Bonaventura.

Între anii 1730-1745 pe latura sudică a noii nave baroc, în intervalele stâlpilor gotici de susținere, s-au construit un șir de capele laterale, sub care se află osemintele călugărilor franciscani. Altarul principal baroc, bogat ornamentat și altarele auxiliare sunt împodobite cu statui și icoane pictate. Deosebit de frumoase sunt tabernaculul din lemn sculptat și aurit, tronul preoțesc, strana și amvonul cu reliefurile celor patru evangheliști.

În octombrie 1944, în cadrul evenimentelor de război, o explozie a măturat acoperișul de pe latura sudică, a spart toate vitrariile artistice ale ferestrelor și a distrus toate piesele casabile din interior.

Biserica a fost restaurată, reparată și supusă unor lucrări de modificare în anii 1827, 1839, 1973, 1912, 1945, 1975-1985, 2005.