Преображенская церковь входит в состав ансамбля церквей бывшего Спасо-Преображенского женского монастыря, состоящий из двух каменных церквей: Преображения и Сретения. Преображенская церковь распо­ложена в центре Комсомольского сквера. К юго-востоку от неё на расстоянии шести метров находится тёплая Сретенская церковь.

Одноэтажный главный объем Спасо-Преображенской холодной церкви представляет собой квадрат­ный в плане четверик, увенчанный пятиглавием. С востока к нему примыкает трёхчастная апсида. С трех сторон (с юга, запада и севера) храм окружают галереи паперти.

На северо-западном углу галереи расположена шатровая колокольня. В основании колокольни четырёхгранные ярусы. Ярус звона восьмигранный.  Шатёр завершён главкой. На первый (изолированный от остальных помещений) ярус колокольни ведет отдельный вход. На ярус звона ведёт лестница, устроенная в толще стены.

Основной объём храма перекрыт глухим четырёхлотковым сводом. Храм не имеет внутренних несущих столбов. Главный вход в храм расположен с западной стороны, второй вход устроен с юга.

Храм венчают центральный восьмерик  и четыре угловые барабана округлой формы. В культовой архитектуре Великого Устюга это первый пример применения в завершении храма восьмигранного барабана. Световым является лишь центральный барабан, а четыре угловых изначально выстроены как декоративные (глухие). В основании барабанов – кокошники из лекального кирпича. Центральный барабан завершён сложным карнизом из рядов лекального кирпича и изразцов. Боковые барабаны украшены аркатурно-колончатым поясом.

Декор фасадов храма традиционен для второй половины XVII в. Особую роль в убранстве играют полихромные поливные рельефные изразцы. Фасады разделены на три равновеликих прясла на южном и западном фасадах спаренными (на углах строенными) полуколонками, на восточном  и северном фасадах – пилястрами. Полуколонки и пилястры упираются в антаблемент. Изразцовый валик служит фризом антаблемента. Архитрав украшен ширинками с изразцами. Карниз антаблемента выполнен из лекального кирпича. Над антаблементом – трёхмастные декоративные закомары. Тимпаны закомар, участки стен между ними и лопатки по углам украшены изразцами. В центральных закомарах восточного и западного фасадов находятся рамочные киоты для икон, декорированные изразцовым валиком и лекальным кирпичом.

Наличники окон южного и западного фасадов храма и боковых полукружий апсиды украшены килевидным фронтоном, опирающимся на полуколонки (в боковых пряслах) и пилястры (в центральном прясле). Оконные проёмы южного фасада апсиды и центрального апсидного полукружия обрамляют полихромные и муравленые изразцы. Над южным наличником апсиды – спаренные килевидные фронтоны. Между алтарных полукружий апсиды поставлены полуколонны.

Фасады южной и западной галереи украшает изразцовый фриз, под окнами и в простенках между ними размещены ширинки с разносюжетными полихромными изразцами.

Предположительно в XVIII в. с южной стороны церкви был устроен придел. В связи с этим над южной галереей была возведена глава придела, а её портал был превращён в окно. Вероятно, тогда же в юго-западной части здания окно, наоборот, было переделано во вход.

В конце XIX в. шатёр колокольни был покрыт железом, а над входами с западной и южной сторон церкви сооружены навесы на чугунных колонках. В ноябре 1928 г. начали с колокольни были сняты колокола. В советское время была разобрана монастырская ограда с воротами, забелены остатки росписи центрального закомара южного фасада храма. В конце XX – начале XXI в. утрачен навес над главным (западным) входом.

В 2013 году на средства партнёра проекта – оператора сотовой связи ТЕЛЕ2 – на здании церкви была установлена информационная табличка c QR-кодом.