В далеком прошлом стояли на этом месте две деревянные церкви, Афанасьевская, в честь Афанасия и Кирилла, александрийских чудотворцев. Церковь упоминается в 1621 году, и Николаевская, в честь святителя Николая Чудотворца. За ветхостью деревянные храмы были разобраны и на их месте выстроен новый в честь Преображения Господня на средства купца Петра Михайловича Нелюбова и прихожан в 1746 году. В храме имелось три престола, главный в честь Преображения Господня, правый и левый в честь Благовещения пресвятой Богородицы и в честь святого Преподобного Авраамия Чухломского Чудотворца. Служили в нем, два священника, два диакона и три псаломщика. В прошлом собор с юго-восточной и южной сторон, по земляному валу, был обнесён красивой каменной оградой с железной решёткой. С северо-восточной, северной и западной сторон находился городской сад. Сохранившиеся фотографии свидетельствуют о том. В 1897 году в течение лета был построен церковный дом для приюта собора. В 1901 году начата постройка второго деревянного двухэтажного дома. Собор действовал до 1932 года, а затем он был закрыт. Первоначально в соборе планировали разместить музей, но в связи с организацией в городе электростанции, летняя и холодная Преображенская церковь была использована для этих целей, а в остальном помещении собора были организованы мельница, столярный, обойный цеха и пилорама Чухломского райпромкомбината. После передачи собора под эти организации были совершенно сломаны колокольня и главы собора, полностью утрачен барочный нарезной иконостас. Судя по отдельным деталям каменного декора здания храма, собор сочетал в своей архитектуре новые принципы структуры культовых зданий XVIII века с типичным древнерусским декором. Уцелевшие наличники нижнего яруса можно с полной уверенностью датировать концом XVII века. Храм утратил своё завершение в виде пятиглавия и шатровую звонницу, а также реконструирован внутри. Но даже в таком виде здание, благодаря отдельным сохранившимся деталям фасада, напоминает о своем былом, храмовом предназначении. Под сводами уцелели фрагменты росписей прошлого века. Здание собора признано архитектурным памятником XVIII века, на его стену прибита мемориальная доска. Здание разрушается. В стенах холодного храма есть трещины. Ограда и выездные ворота разрушены. 2 августа 1996 года Преображенский собор отметил своё 250-летие. По этому случаю состоялись торжества. В настоящее время здание Преображенского собора принадлежит МУП «ЧУХЛОМАЖИЛКОМХОЗ».
