Первый каменный храм в честь Преображения Господня появился ещё в середине 17 века и именовался Рыбно-слободской.

Чуть позднее, было принято решение о строительстве новой колокольни. Мало кто знает, но колокольня современного собора начала строиться почти на пол века раньше него — в 1796 году по проекту архитектора-самоучки Степана Андреевича Воротилова и в 1804 году строительство колокольни было завершено.

Колокольня имеет высоту около 116 метров и является второй по высоте в России после колокольни Петропавловского собора. Она выполнена в традициях раннего классицизма с элементами барокко, а внутри располагаются две лестницы, ведущие на ярус звона. Архитектурная особенность колокольни – размещённые внутри угловых устоев круглые камеры, а столбы украшены в нижнем ярусе рустом и пилястрами, а в верхних - ионическим колоннами. Колокольня увенчана восьмигранной вальмовой крышей и высоким гранёным золочёным шпилем и восьмиконечным крестом. В оформлении колокольни использованы 52 колонны, которые зрительно не только облегчают высокое сооружение, но и создают ощущение стремительного движения вверх.

В 1809 году на четвертом ярусе колокольни были установлены башенные часы с кованым механизмом весом 22 пуда (чуть более 360 кг), которые прослужили городу до 1878 года. Новые часы московской фирмы «Винтер» в 1896 году были установлены в верхней подкупольной палатке, где они продолжают свою работу и по сей день. Колокола на соборной колокольне в XIX веке несколько раз заменялись. Трижды увеличивался вес большого колокола-благовестника, а в 1833 году был заказан колокол, по весу превышавший Ярославский из кафедрального собора. Город рос и развивался в стремительном темпе, поэтому в апреле 1838 года было принято решение разобрать старый Преображенский собор, а на освободившейся площади воздвигнуть новый.

Воплощая его идею в реальность, 8 сентября 1838 года состоялась закладка нового Спасо-Преображенского собора. Правда, при строительстве приходилось вносить некоторые изменения и сокращать расходы. Тем не менее, собор был построен в 1838—1851 гг. на средства рыбинских купцов М. Н. Вязьмина, И. А. Миклютина, Л. П. Кувшинникова, А. Д. Смирнова.

После революции 1917 года наступили тёмные времена богоборчества. Храмы закрывались и разрушались. Рыбинск в эти годы потерял множество жемчужин храмового строительства. В 1929 году Спасо-Преображенский собор закрыли, а со звонницы скинули все колокола, кроме одного, отлитого в 18 веке. В том числе был уничтожен большой колокол-благовестник весом 16 тонн, звон которого в хорошую погоду слышно было даже в затопленом ныне водами Рыбинского водохранилища городе Мологе.

Храм собирались сносить, чтобы строить мост, и помешала этому только война. Собор успели лишить глав. В послевоенные годы храму находили разное хозяйственное применение, в конце концов обустроив в нём общежитие. В 1960-х гг. собор восстановили, и в конце тысячелетия в нём работал архив. Собор был полностью передан РПЦ только в 1996 г. В 2000-х гг. была проведена глобальная реставрация, и сегодня собор выполняет свои изначальные функции.

Сейчас Спасо-Преображенский собор — пятиглавый центрально-купольный храм, центральная часть которого увенчана сферическим куполом, основанным на подпружных арках, перекинутых между четырьмя мощными, семиугольными в плане, столбами; угловые части основного объема завершают четыре малых световых барабана, с куполами. Остальные помещения собора, включая трапезную, перекрыты цилиндрическими сводами. План собора имеет вид равноконечного креста, вписанного в квадрат, и представляет собой систему из центрального объема и гармонически связанных с ним прямоугольных объемов алтаря и боковых нефов. Боковые крылья собора заканчиваются шестиколонными фронтонными портиками с широкими маршами лестниц. С запада к центральному нефу примыкает узкая галерея-трапезная, соединяющая храм с колокольней. Собор вмещает до 4 тысяч человек.