На месте современного Спасо-Преображенского собора в 1879 году был возведен каменный Свято-Никольский храм с двумя престолами: главным во имя святителя Николая Чудотворца и придельным во имя святых апостолов Петра и Павла. Храм строился на средства благотворителей и был рассчитан на 2500 верующих. Освящение состоялось 19 августа 1879 года. Здание располагалось на Старозаводской улице (ныне ул. Куйбышева) вдоль Казанско-Оренбургского тракта, рядом с торговой площадью. При храме действовала церковно-приходская школа и библиотека.
Архитектура Свято-Никольского храма отличалась лаконичностью: кубический объем с одним куполом на круглом барабане, двухъярусная колокольня. Стены регулярно белились, благодаря чему в народе храм получил название «Белая церковь». В 1935 году храм был закрыт, а в 1939 году полностью разобран. На его месте был организован парк культуры и отдыха.
В 1999 году был создан приход Преображения Господня. В сентябре того же года началось строительство часовни Казанской иконы Божией Матери на выделенном участке около площади Советов. К Пасхе 2000 года часовня была построена, в ней начали совершаться регулярные богослужения. Впоследствии к часовне была пристроена колокольня, а рядом возведены трапезная и просфорная.
С 2000 года началось строительство нового кирпичного Спасо-Преображенского храма по проекту архитектора С.А. Кангро. Строительство завершилось в 2007 году, и храм был освящен архиепископом Симбирским и Мелекесским Проклом. Архитектурное решение представляет собой одноглавый четверик с пощипцовыми завершениями фасадов, боковыми притворами, пятигранным алтарем и шатровой колокольней.
26 июля 2012 года решением Священного Синода Русской Православной Церкви была образована Мелекесская и Чердаклинская епархия, в связи с чем Преображенский храм получил статус кафедрального собора. На прихрамовой территории сохранилась часовня Николая Чудотворца, построенная в 2000 году на месте исторического Свято-Никольского храма. При соборе действует воскресная школа, проводятся огласительные беседы перед крещением.