Спасо-Преображенский собор, самое крупное сооружение кремлевского ансамбля. Построен он в 1713—1716 годах вместо собора XV века, сооруженного при князе Андрее Большом. В угличских писцовых книгах сохранилось его описание, «Собор… на высоких папертях об одной главе… крыт по закомарам тесом, а глава на деревянных дугах покрыта чешуею деревянною. А в той церкви исстари было стеновое письмо. Да в паперти колокольница рубленая шатровая… да на той колокольнице часы боевые».
Спасо-Преображенский собор воплотил в своем облике черты, характерные для архитектуры начала XVIII века, особенностью которой было сочетание традиций древнерусского зодчества и новых приемов. Дань прошлому сказалась в композиции, основой которой является массивный центральный куб, увенчанный пятью главами. В оформлении фасадов присутствуют новые декоративные формы. Так, здесь применены наличники с «разорванными» сандриками, деталь, характерная для архитектуры русского барокко. Конструкция сооружения соответствует достижениям строительства XVIII века, когда строятся в основном бесстолпные церкви. Поражают размеры центрального объема, где четырнадцатиметровый пролет перекрыт легким сводом высотой семнадцать метров без помощи опорных столбов. Подобное инженерное решение ставит угличский собор в ряд лучших сооружений русской архитектуры начала XVIII века. Отсутствие опорных пилонов дало возможность древним зодчим максимально раскрыть внутреннее пространство храма. Большие плоскости стен способствовали размещению крупных живописных композиций и хорошему их восприятию. Расписала собор в 1810—1811 годах артель крепостных мастеров под руководством «знаменитого по епархии живописца» Тимофея Медведева из села Тейково Владимирской губернии. Художники уверенно владели приемами академической школы, поэтому живопись отличается достаточно высоким уровнем ремесленного мастерства. Более пятидесяти композиций выполнены по образцам позднего Возрождения и барокко. Храмовая фреска «Преображение» со сценой исцеления бесноватого является копией с картины Рафаэля. Провинциальный художник утрировал работу великого мастера, отличающуюся внешней патетикой и динамикой страстей. Резкие контрастные цвета вызывают ощущение дисгармонии. Сильный декоративный эффект производит включение живописи в «рисованную архитектуру», уходящие вдаль колоннады, выступающий портик с «разорванным» фронтоном, резные картуши, карнизы создают иллюзию пространства, перспективу для размещения фресок. Этими средствами усиливается задача зрительного расширения объема, как бы разрушается замкнутость, материальность стен.
Грандиозный многоярусный иконостас Преображенского собора установлен в 1860 году. Он варьирует формы пышного «нарышкинского барокко», однако пластика его суха. Убывающие по ярусам колонки, оплетенные вьющейся лозой, раскрепованные карнизы составляют обрамление икон. Наиболее старые иконы находятся в нижних ярусах. «Покров Богоматери», образец живописи ярославской школы XVII века. К этой же школе принадлежат иконы праздничного чина, написанные, вероятно, в начале XVIII века одновременно с сооружением собора. Иконы Спаса и Богоматери в местном ряду по обеим сторонам царских врат своим общим темным колоритом и золочеными лепными фонами напоминают произведения украинского барокко XVII века. Иконы попали в собор на рубеже XVII—XVIII столетий, когда кафедру Ростовской епархии, куда входил и Углич, возглавляли митрополиты-малороссы Иосаф и Дмитрий. Рядом с собором высится тридцатипятиметровая колокольня, возведенная в 1730 году, на полтора десятилетия позднее собора. Возможно, задержка строительства произошла из-за вступившего в силу в 1714 году петровского указа, запрещавшего строительство каменных сооружений в провинции. Колокольня относится к типу ярусных. Примечательно, что в Угличе сохранилась еще одна подобная колокольня, у Корсунской церкви, выстроенная одновременно с соборной. Внутри кремлевской колокольни сохранился механизм башенных часов с боем, редкий памятник искусства часовщиков XVIII века, ставший сегодня музейным экспонатом. В наше время мастера Угличского часового завода установили на колокольне современные электронные часы с боем, и вновь над древним городом раздается мелодичный звон. Так встретились творения угличских мастеров XVIII и XX веков, символизируя преемственность и развитие традиций.
