Расположен на территории бывшего детинца. Одно из наиболее ранних каменных сооружений, определивших развитие древнерусской архитектуры. Принадлежит к типу крестовокупольных построек, получивших распространение в период Киевской Руси. В облике собора видны напластования стилей классицизма и романтизма рубежа XVIII-XIX веков. Многочисленные пристройки, примыкавшие к памятнику и составлявшие его органическую часть утрачены.
Основной объем дошел также с некоторыми изменениями. Утрачены древние купола глав после нашествия хана Батыя 1239 года и части — первоначальные перекрытия, известны ремонтные работы середины XVII века, когда были надстроены апсиды, восстановлены перекрытие главы. В 1750 году собор укрыт досками, так как барочные купола XVII века погибли во время пожара. Современные формы завершений собора и башен 1791-1799 годов. В интерьере сохранились фрагменты фресковой живописи периода Киевской Руси. Во время ремонтных работ в 90-е годы XVIII века устроен пол из чугунных плит, а в 1902 году — из метлахских плиток на бетонном основании, существующим доныне. В таком виде собор дошел до наших дней.
Каменные конструкции сооружения сложены из древнерусской плинфы, песчаника на известково-цемяночном растворе, достройки и ремонтные элементы — из кирпича XVII — XIX веков. В конструкциях применены мрамор, природный шифер, ограждения хоров, импостные капители, подпятники арок, подбарабанные кольца. Древний обрез фундамента находится на глубине 65 см от современного уровня грунта. Фундаменты уходят на глубину 2,8 м, толщиной 3,5 м. Сложены из бутового камня на характерном для древнерусской архитектуры известковом растворе с примесью толченой керамики-цемянки, которая придавала раствору гидравлические свойства. Стены собора толщиной 1,4 м, кладка типа «opus mixtum» — ряды камня чередуются с рядами широкого и плоского древнерусского кирпича-плинфы.
Крестовокупольный Спасский собор трехнефный, с нартексом, трехапсидный, четырехстолпный. Подобие шестистолпия ему придают два восточных пилона, являющихся продолжением стен, отделяющих центральную апсиду от боковых. Между северной и южной парами крещатых пилонов до подпружных арок устроены двухъярусные трехпролетные аркады на мраморных колоннах в первом ярусе, в XVIII веке облицованы кирпичом и на профилированных столбах из плинфы во втором ярусе. Благодаря устройству аркад исчезает внутреннее восприятие трансепта.
Главный архитектурный крест перекрыт коробовыми сводами, которым на северном, южном и западном фасадах отвечают закомары. С востока к нему примыкает конха апсиды. Перекрыто средокрестие куполом на цилиндрическом барабане. Остальные четыре малых барабана также цилиндрические. Паруса выложены кольцевой горизонтальной кладкой нависающими слоями. Северный и южный участки нартекса перекрыты восстановленными парусно-скуфейными сводами с голосниками. Боковые нефы первоначально членились на два яруса перекрытиями хоров, представлявших деревянный настил на балках прямоугольного сечения, уложенных поперек нефов, несколько выше нижнего ряда окон. Западная часть хоров отделена от главного нефа трехарочной конструкцией, на двух восьмигранных столбах.
Решение интерьера отмечено строгой структурностью, ритмикой криволинейных очертаний, стремлением к объединению пространства, что придало черты выразительности, которые не знало византийское искусство. Иконостас сооружен в 1793-1798 годах по проекту архит. Яснишина. Столяры и резчики по дереву из Нежина С. Волощенко и С. Белопольский соорудили и украсили его резьбой. Высота — 12, ширина — 20 м, 62 живописных произведения конца XVIII века Т. Мизко из г. Борзны и художники XIX века А. И. Мурашко. Решен в формах, соответствующих зрелому классицизму.
В соборе сохранилась масляная стенопись начала XIX века, а также фрагменты фрески. Однако лучший образец монументальной живописи XI века «Фекла» сохранился только в копии. Оригинал погиб во время Великой Отечественной войны. Собор исследовали в 1923-1924 годах проф. архитектуры И. Моргилевский и археолог Н. Макаренко. Исследования архитекторов Н. Холостенко и М. Говденко выявили много новых данных для определения объемно-пространственной структуры и декора. Удалось проследить летописную границу двух основных строительных периодов, где видны различия материалов, конструкций оконных перемычек и архитектурных деталей. Совокупность новых данных позволяет с максимальным приближением реконструировать собор в первоначальном виде. В интерьере обнаружены импостные капители и база мраморных колонн, родственные колоннам причерноморских базилик VI-VIII веков, расчищены резные шиферные плиты ограждения хоров, обнаружен фрагмент резного шиферного пола со следами мозаики.
С 1970 года проводятся исследовательские и реставрационные работы живописи. С 1980 года расчищается и реставрируется живопись начала XIX века в северном нефе. Открыты сюжетная живопись и небольшие фрагменты фрески высокого художественного достоинства и своеобразной трактовки.
Спасо-Преображенский собор — один из древнейших памятников периода Киевской Руси на территории нашей Родины, редкое по типологии сооружение, представляющее своеобразно трактованный сложный тип крестовокупольной системы, четырехстолпный храм типа вписанного креста, близкий сооружениям Византии V-IX веков.
