Первая каменная Преображенская церковь была возведена на главной Базарной площади слободы Бутурлиновка в 1809 году. К концу XIX века, в связи с ростом населения и потребностью в более вместительном храме, было принято решение о строительстве нового собора на месте прежней церкви. Инициатором строительства выступил местный предприниматель Василий Михайлович Кащенко. После его смерти дело продолжили его сыновья: Алексей, Александр и Иван Кащенко.
Проект храма был разработан в 1885 году архитектором Владимиром Всеволодовичем Стайновским при участии архитекторов Дмитрия Васильевича Знобишина и Станислава Людвиговича Мысловского. Строительство началось в 1886 году. Старая церковь была разобрана, за исключением трапезной, временно приспособленной под богослужения. Через пять лет был возведен новый пятиглавый собор, а еще два года ушло на отделку интерьеров.
Освящение храма состоялось 11–13 июня 1893 года и было совершено архиепископом Воронежским и Задонским Анастасием (Добрадиным). В соборе были устроены три престола: главный — в честь Преображения Господня, и придельные — святителя Николая Чудотворца и святителя Димитрия Ростовского. В 1909 году в трапезной части храма был освящен еще один придел во имя преподобного Василия Парийского.
Архитектурно собор представляет собой крестово-купольное сооружение с пятиглавием. Фасады выполнены из красного кирпича с элементами византийского стиля и классицизма. Над четырьмя боковыми главами возвышается центральный купол. Трехъярусная колокольня высотой 72 метра ранее была оснащена часами с боем. Внутреннее убранство включало мраморные резные иконостасы итальянской работы, росписи стен, выполненные московскими мастерами, и иконы академической школы в византийском стиле.
В начале 1930-х годов, в период антирелигиозной политики советской власти, собор был закрыт, а иконостас разрушен. Во время Великой Отечественной войны здание использовалось для ремонта военной техники. После войны в нем размещался торговый склад.
В 1992 году собор был возвращен Русской Православной Церкви, и в нем возобновились богослужения. С этого времени начались реставрационные работы, направленные на восстановление первоначального облика храма. В ходе реставрации были восстановлены кровля, внутренние росписи и иконостас.