Первый монастырский Спасо-Преображенский храм, возведённый в ХIV веке, вероятно, был деревянным. В 1507 году после пожара, когда сгорело большинство монастырских сооружений, построили новый, каменный Спасо-Преображенский собор, 1507-1511 годов, древнейшее из дошедших до нас каменных сооружений Спасо-Евфимиевского монастыря, возведённое над могилой его основателя игумена Евфимия. Он был небольшим, и при строительстве ныне существующего здания в 1594 году его включили в новый храм в качестве Евфимиевского придела. Стены Евфимиевского придела внутри расписаны сценами жития святого Евфимия, среди них выбор места и начало строительства Спасо-Евфимиевой обители. Они были обнаружены при реставрации собора в 1970-х годах и под руководством художника-реставратора А. П. Некрасова частично расчищены. Внутреннее пространство самого собора имеет четыре столба и пять больших барабанов, через окна которых освещается поверхность стен, расписанных фресковой живописью в 1689 году артелью знаменитых костромских иконописцев Гурия Никитина и Силы Савина. Надо заметить, что долгое время собор намеренно оставался без внутренних росписей. Монастырские описи сообщают, что на ослепительно белых стенах были развешены многочисленные иконы в сверкающих золотом, серебром, эмалью и драгоценными камнями окладах и шитые шелками пелены царские и княжеские вклады. Всё это делало интерьер собора очень красивым и своеобразным.
Спасо-Преображенский собор был выполнен в древних традициях белокаменной архитектуры Суздаля ХII-ХIII веков и поначалу напоминал Рождественский собор Суздальского Кремля. Однако в ходе неоднократных перестроек в последующих столетиях его внешний облик был несколько искажён. Первоначально храм имел три притвора, наподобие упомянутого Рождественского собора ХIII века. Но в ХVIII веке притворы объединили галереей. В 1865 году к северному фасаду с восточной стороны, как бы для симметрии, был пристроен новый придел во имя преподобного Сергия Радонежского.
В 2012-2013 годах проведен текущий ремонт галереи Спасо-Преображенского собора. В 2013-2014 годах и 2017-2018 годах проведены реставрационные работы по живописи внутри собора.
