Преображенская церковь, каменная, построена в 1682 году, освящена в 1684 году — стараниями изюмских полковников Константина Донца и Фёдора Шидловского. Храм построен в византийском стиле с пятью куполами, покоящимися на пяти высоких тумбах. Величественный иконостас его, богато украшенный золотом и резьбой, был устроен в 1765 году. В 1846-1866 годах церковь на средства доброхотных дателей была расширена. В то время было четыре престола:
— главный во имя Преображения Господня;
— второй Святого Великомученика Дмитрия Солунского;
— третий — Святого пророка Илии;
— четвёртый — Святой Анны.
Под отдельною колокольнею в середине XIX века был построен тёплый храм в честь Тихвинской иконы Божьей Матери — дар благодарности изюмских жителей Господу и Пречистой Матери Его за спасение их от холеры в 1831 году. Особое участие при построении часовни принимали: поручик Даниил Ефимович Зозуля, собравший на сей предмет 7 тысяч рублей серебром; изюмский купец Яков Иванович Дехтярёв, пожертвовавший до 700 рублей серебром и помещик Фёдор Николаевич Дурнов, пожертвовавший до 628 рублей серебром. В народе Тихвинский храм ещё называли «тёплым», или «полковым». Кроме поручика Зозули денежные пожертвования делали и другие офицеры и солдаты гусарского полка.
Тихвинский храм не был похож на обычную церковную постройку, а выглядел как башня из четырёх ярусов. Вместо церковного креста на небольшом куполе башни стоял длинный штиль, увенчанный двуглавым российским орлом. В «полковом» храме, как в музее, сохранялись знамёна Изюмского козачьего Слободского полка, сражавшегося в 1709 году со шведами под Полтавой; знамёна и серебрянные трубы гвардейского Изюмского гусарского полка, который сражался в России с французами и первый вошел в покорённый Париж. Все военные реликвии двух полков из Тихвинского храма разобрали по разным музеям, в Полтаву, в Ленинград, в Москву.
Преображенский храм является одним из лучших крестовых сооружений украинского барокко. Между утварью храма были царские дары государя императора Петра I: напрестольное Евангелие 1707 года, оправленное серебром, сейчас оно находится в Историческом музее в Изюме и священная риза сутозолотой парчи. По преданию, царь прислал эти дары после того, как в мае 1709 года сам был в Изюме на пути из Азова к Полтаве, накануне знаменитой Полтавской битвы. В храме также хранились турецкие значки, доставленные Яковом Федоровичем Долгоруковым после завоевания Азова: эти значки напоминали об участии Изюма в Азовской войне.
В 1825 году 25 сентября в Преображенском храме молился государь император Александр I Благословенный, на пути в Таганрог. А в следующем 1826 году 5 января суждено было здесь же над его останками совершать моления о упокоении души его в обителях праведников.
До 1917 года Преображенский собор был величественный и знаменитый. Но когда начались гонения за веру Христову, то пострадали не только верующие люди, но многое храмы и монастыри. Разрушительная сила коснулась и Преображенского собора. В 30-х годах прошлого столетия прекратились богослужения. В 1938 году была полностью разрушена часовня во имя Тихвинской иконы Божьей Матери. Преображенский собор был осквернён, разграблен и часто использовался под склады. Осенью 1941 года при отступлении советских войск колокольню, которая примыкала к правой стороне алтарного купола, взорвали сапёры Изюмского истребительного отряда. Но самое страшное, что ранее величественный собор был лишен благодати православных богослужений и постоянно подвергался разрушениям.
В 1962 году Комитет по делам Архитектуры принял решение о восстановлении храма в первоначальном виде. В 1902-1903 годах собор был перестроен по проекту епархиального архитектора. Строительные работы длились около 30 лет, храм был восстановлен в первоначальном виде, в каком он был построен ещё в 1682 году.
Преображенский храм возвращен Украинской Православной Церкви и освящен 08 октября 1991 года. По благословению Владыки Никодима, митрополита Харьковского и Богодуховского, в освящённом храме начались совершаться богослужения и он стал возрождаться и обновляться.
