Собор был заложен в 1907 году по проекту москвича А. Е. Антонова. В 1916 году строительство в основном завершилось, были готовы иконостас и необходимая утварь, но не было отопления. После революции 1917 года в годы советской власти в нём был гараж, затем тир. Предзнаменованием случившегося в советские годы считаются слова блаженной Прасковьи Ивановой, сказанные во время закладки, «Собор-то собор, а я усмотрела, черёмуха по углам-то собора выросла, как бы не завалили». В 1991 году собор был передан возрождённому монастырю. Восстановление продолжалось несколько лет.
Фотографии разрушенного Преображенского собора, также как и других храмов монастыря, можно увидеть на памятной доске около Храма Рождества Христова. Освящение главного престола состоялось через 91 год после начала строительства 3 сентября 1998 года, в честь Преображения Господня. 27 октября митрополитом Николаем в честь святого Архистратига Божия Михаила со всеми Небесными Силами бесплотными был освящен южный придел. Ранее в честь св. Архистратига Божия Михаила был освящен один из приделов ныне не существующей Тихвинской церкви. Роспись предела велась в 2005 году под руководством Анатолия Беляева.
В соборе находятся мощи преподобной Марфы Дивеевской. Её мощи были обретены после прославления в лике местночтимых святых 22 декабря 2000 года. День памяти отмечают 3 сентября. По словам Серафима Саровского, преподобная Марфа, начальница над дивеевскими сестрами в Царствии Небесном.
Также в соборе хранятся мощи блаженной Параскевы, день памяти которой отмечают 5 октября. Считается, что блаженная предсказала гибель династии Романовых, гонения на Церковь и «море крови». В 2003 году были восстановлены могилы храмосоздателя собора Фёдора Васильевича Долгинцева и его жены Екатерины Ивановны.
По сложившейся традиции, в соборе совершается главная служба на Успение Божией Матери.
