Строился собор в течении 15 лет – с 1898 по 1913 годов рядом с Троицким собором исключительно на пожертвования прихожан. Храм был сооружен по проекту вологодского губернского архитектора Н.С.Пухлова. Решение о строительстве собора было связано с тем, что каменный Троицкий собор (1756 года освящения) не мог вместить всех прихожан Вельска и окрестных деревень.
Инициаторами строительства выступили купец 1 гильдии, председатель церковного попечительства Конон Вонифатьевич Попов, настоятель Троицкого собора Николай Следников и церковный староста Петр Ушаков. Иконостас резали частью в Вологде, частью на месте под руководством вологодского мастера. Иконы для храма были написаны в одной из московских мастерских.
Двухэтажный крестовокупольный, пятиглавый, четырехстолпный собор с полукруглой апсидой и прямоугольной папертью с порталом строился из кирпича на известковом растворе со штукатурной облицовкой рустом, имитирующим квадры каменной кладки. Величественный и массивный, он увенчивался пятью мощными луковичными главами на световых барабанах. С востока примыкает полукруглая, убывающая по объему, в два этажа апсида; с запада – прямоугольная паперть с порталом. В интерьере собор разделен на три нефа. На крестообразные массивные пилоны опираются арки, поддерживающие пять световых барабанов.
1 июля 1913 года состоялось торжественное освящение главного престола храма в честь Преображения Господня, 2 июля был освящен южный придел во имя первомученника Стефана, 3 июля – северный придел во имя преподобного Серафима Саровского. Собственной колокольни не было. Собор изначально был задуман как холодный: службы в нем велись с весны до осени.
В 1922 году, в ходе кампании помощи голодающим Поволжья, из собора были изъяты церковные ценности, и приход был закрыт.
В 1931-1934 годах Преображенский собор подвергся коренной реконструкции, в ходе которой были утрачены завершения храма, прорублено и заложено большое количество оконных и дверных проемов, разобрано крыльцо с папертью, сделана значительная внутренняя перепланировка.
С востока к апсиде выполнена, прямоугольная в плане, пристройка, полностью закрывшая полукружие апсиды в первом этаже. Второй этаж собора разделен на два; перегородками выполнены перепланировки во всех этажах. Плоскими перекрытиями усечены сводчатые перекрытия собора. Первоначальные оконные проемы с полуциркульным верхом переделаны в прямоугольные, устроено множество дополнительных оконных проемов, окна апсиды во втором этаже заложены. Утрачены главы со световыми барабанами, второй ярус паперти и крыльцо с порталом, верхний фриз венчающего карниза собора, выполненный в виде арочных ниш с архивольтами.
После капитального ремонта здание было передано районному Дому культуры, который действует там до сих пор.
