История соборной церкви Преображения Господня начинается с основания монастыря преподобным Феодосием в 1554 г. Феодосий, испросив грамоту от царя Ивана IV и с благословения Московского митрополита Макария и архиепископа Ростовского, Ярославского и Белозерского Никандра, в 1555 г. поставил деревянную церковь во имя Преображения Господня. Это была шатровая постройка с трапезной, характерная для деревянной архитектуры Севера того времени.
При архимандрите Игнатии в 1685–1689 гг. деревянные церкви Введенская и Преображенская были разобраны и вместо них построен каменный холодный храм в честь Преображения Господня с трапезной и теплым приделом с северной стороны в честь Введения Богородицы во храм. Собор представлял собой кубический двусветный четверик, увенчанный пятиглавием. К нему с восточной стороны примыкал полукруглый алтарь, с западной – низкая трапеза, а с севера – Введенский придел. В 1749 г. в Преображенском храме был устроен новый резной иконостас с позолотой. Перестройка 1801 г. внесла значительные изменения в облик храма. Свой нынешний облик здание приобрело после коренной перестройки в 1876–1880-х гг. Тогда же в главном храме был устроен трехъярусный резной с позолотой иконостас, а в приделах – такие же двухъярусные иконостасы.
Собор обладает мемориальной ценностью. Именно здесь первоначально находились мощи преподобного Феодосия Тотемского. Здесь были похоронены два епископа Вологодских и Устюжских: в 1872 г. – Христофор (Эммаусский), в 1883 г. – Феодосий (Шаповаленко). Недалеко от стен храма находится могила И.А.Кускова, основателя русской крепости Росс в Калифорнии. Царь Петр I, следуя из Вологды в Архангельск, в 1693, 1694 и 1702 гг. останавливался в Тотьме. По преданию, он посетил Преображенский собор как место погребения преподобного Феодосия; известен его вклад в собор.
В 1919 г. Спасо-Преображенский собор, как и весь Спасо-Суморин монастырь, был закрыт. Здание использовалось для различных хозяйственных нужд. Некоторое время в нем располагался магазин. Ныне Спасо-Преображенский храм как памятник истории и культуры служит объектом музейного показа.
