История главного храма Тамбова начинается со строительства Тамбовского кремля в 1636 году. В 1677 году главная церковь Тамбова была преобразована соборную. С открытием епархии в 1682 году Спасо-Преображенский собор становится кафедральным. Возведение каменного собора было задумано и начато вторым епископом Тамбовским Питиримом. Постройка собора, несмотря на его массивность и трёхаршинную толщину стен, шла достаточно быстро. Каменная кладка проводилась из самых лучших материалов. По первоначальному плану предполагалось строительство одноэтажного храма. Но после выкладки стен епископ Питирим вдруг пожелал сделать храм двухэтажным. По его распоряжению в нижней части храма пробили окна, свели своды над алтарём и устроили лестницы в верхний этаж. Закончить начатое строительство епископ Питирим не успел, его похоронили в склепе у южной стены в приделе Николая Чудотворца. Через 18 лет надстройка и колокольня при соборе пришли в полную ветхость. И в 1783 году тамбовский купец Матвей Бородин взялся за достройку собора. Он намеревался полностью отделать верхнюю летнюю церковь и установить в ней трёхъярусный иконостас. Расстройство торговых дел изменило планы строителя. Ремонт и установку иконостаса в верхней церкви осуществил в 1801 году другой благотворитель, купец Матвей Малин.
К середине XIX века в храме стала ощущаться теснота, поэтому лестницы в верхнюю церковь, на четверть сокращавшие помещения собора, были разобраны в 1841–1842 годах, а с западной стороны по плану С.А. Березнеговского была пристроена двухэтажная паперть, в которой расположились новые лестничные пролёты. К этому времени весь Спасо-Преображенский собор требовал крупного капитального ремонта. Он был начат в 1843 году и продолжался вплоть до 1849 года. В верхнем храме были выровнены и оштукатурены стены и своды, у подкупольных столбов поставлены резные капители коринфского ордера, окрашены и расписаны стены по мотивам Нового и Ветхого Заветов. В процессе ремонта были заменены и выкрашены полы и установлены новые оконные рамы. Лучшими московскими мастерами был изготовлен новый иконостас для верхней церкви. Украшением иконостаса были шесть местных икон, написанных академическим учеником Мухановым. По свидетельству современников, эти иконы местного ряда были дороже всего иконостаса. В нижней церкви был установлен новый деревянный резной иконостас в стиле рококо. В том же стиле были выполнены резные украшения по карнизу и фризу. Иконостас и резьба карнизов были позолочены.
В 1811 году была заложена каменная колокольня. Освящение колокольни в трудный для России 1812 год было глубоко символичным. К 60 годам XIX века колокольня была оштукатурена, побелена известковым раствором, покрыта железом и украшена позолоченными звёздами. В 1879 году был утверждён план строительства двух флигелей при соборной церкви. Они располагались с южной и северной сторон от храма и завершали архитектурную композицию. Невысокие одноэтажные каменные постройки подчёркивали грандиозность Спасо-Преображенского собора. Кафедральный собор был хранителем и главных тамбовских святынь. Один из них, чудотворная икона Казанской Богоматери. Из богатейшей коллекции храмовых икон выделяется Распятье Спасителя с предстоящими Богоматерью и Иоанном Богословом. Икона эта была написана Тамбовским епископом Питиримом. На иконе за распятием в дальней перспективе был изображён город с крепостными башнями, церковью и домами. Описание тамбовских крепостных построек XVII века, по заключению местных историографов, соответствовало панораме города, изображённого на иконе, караульная башня, проезжие ворота, за ними одноглавая церковь с шатровым верхом, высокая колокольня и дом с зелённой кровлей.
С 1918 года Преображенский собор находился в ведении одной из церковных общин. По решению местных властей он был закрыт в1930 году. В октябре 1931 года щебнем от разобранной колокольни были засыпаны ямы и выбоины в скверах. На месте одного из флигелей был построен типовой дом послевоенной архитектуры. Долгое время в здании бывшего кафедрального собора был расположен краеведческий музей. Ныне собор возвращён верующим.
