La fondation du chapitre de Saint-Michel remonte au 11e ou au 12e siècle, le premier acte le mentionnant datant de 1204. La construction de l’église aurait succédé à un simple prieuré. En 1687, le chapitre compte un doyen et huit chanoines. Au début du 18e siècle, les bernardines d’Orgelet demandent l’autorisation d’acquérir l’église et les maisons de Saint-Michel pour y transporter leur établissement. Au même moment, le magistrat de la ville propose aux visitandines d’acheter " l'église Saint-Michel avec les logements qui l'accompagnent, que les sieurs doyen et chanoines de ce chapitre leur présentent à vendre ". Aucun de ces projets ne se concrétise. L’église est reconstruite en 1762. En 1771, le magistrat demande la suppression du chapitre et la réunion des revenus au collège de l’oratoire, récemment établi dans le noviciat des jésuites. En 1790, l’inventaire des biens du chapitre précise que " l’église est vaste, à trois nefs ayant deux sacristies, elle est bâtie en pierre de taille et est encore en assez bon état ". Les autres biens immobiliers sont " quatre maisons qui règnent autour du cloître au milieu duquel il y a une fontaine ; chaque maison contient quatre à cinq pièces assorties de caves et greniers, maisons en mauvais état ". Le total des rentes du chapitre s’élève à 1039 livres. Les bâtiments sont vendus à Charrière et Raichon, l’église est démolie au printemps 1796 et le reste peu après. Seul subsiste un bâtiment, aligné nord-sud, qui porte la date 1753. Dans Les Eglises de Salins, ouvrage compilé au 19e siècle, la notice consacrée à l’église collégiale annonce que " l’église n’était pas commode, sa muraille faisait partie de l’enceinte et le chemin de ronde passait sur ses voûtes ", elle abrite alors des chapelles dédiées à saint Joseph, saint Jacques et saint Philippe.

Un plan de la ville, daté 1901, précise que le bâtiment est occupé par " un orphelinat de petits garçons ". Le site est acquis vers 1935 par la société civile du Rayon de Soleil, et un sanatorium, dit préventorium du Petit Saint-Michel, est construit à la fin des années 1930. Outre l'appropriation du bâtiment conventuel nord (réfectoire, cuisine, classes et infirmerie), le projet prévoit la construction, dans son prolongement sud, d'un bâtiment abritant un dortoir de 48 lits, d'après des plans signés de l'architecte René Tournier et datés de 1936. Les travaux sont réalisés peu après. En juillet 1939, un projet d'extension du même architecte n'a pas de suite. En octobre 1958, la " Mère supérieure [de l'institution] du Rayon de Soleil " obtient l'autorisation de surélever le bâtiment " à usage de colonie de vacances ". Ce dernier jouxte au sud la tour Terrestre, élément fortifié de l'enceinte, dont le tracé redescendait vers la tour Dorée. C'est peut-être à ce moment-là qu'est bâtie au nord une chapelle dédiée à Saint-Michel. En 1961, l’internat et la cantine de l'école Saint-Anatoile sont transférés sur le site. Le bâtiment sert aujourd’hui de cantine aux élèves de l’école-collège de Saint-Anatoile.