Проект храма на 1000 мест был разработан в 1901 году архитектором Фёдором Васильевичем Рыбинским и утверждён в апреле того же года. Строительство велось под руководством тверского губернского архитектора В. И. Назара. Местом для возведения храма был выбран участок над целебным источником в конце Ильинской улицы (ныне улица Урицкого). Источник был освящён во имя святого пророка Илии, что обусловило посвящение одного из приделов храма этому святому.
К концу 1903 года здание было выстроено до первых сводов, однако завершение строительства затянулось. В 1904 году сообщалось, что церковь вчерне готова, но главы не окончены и внутренняя отделка не начата. Лишь в сентябре 1910 года было зафиксировано, что церковь полностью завершена, за исключением колокольни и причтовых построек. Окончательный акт готовности здания для богослужений датируется 1 марта 1911 года. Из-за недостатка средств колокольня была выстроена только до нижнего яруса, а рядом с храмом установлена временная деревянная звонница с восемью колоколами.
11 июля 1911 года состоялось освящение трёхпрестольного храма: главный престол был посвящён Преображению Господню, правый придел — святому пророку Илии, левый — трём вселенским святителям: Василию Великому, Григорию Богослову и Иоанну Златоусту. Первым настоятелем храма был назначен священник Фёдор Константинович Колеров, дьяконом — Николай Дмитриевич Завьялов, псаломщиками — Василий Никольский и Григорий Егоров. С 1913 года псаломщиком служил Иван Муратов.
Архитектурно храм выполнен в древнерусских традициях и состоит из храмовой части, апсиды и трапезной. Здание увенчано пятью шатровыми главами со световыми барабанами. В подвале высотой более трёх метров была установлена калориферная печь для обогрева здания. По проекту предполагалось строительство встроенной колокольни, однако из-за финансовых трудностей она не была завершена.
После революции местные власти запретили достраивать каменную колокольню, мотивируя это нехваткой строительных материалов и возражениями против колокольного звона, который, по их мнению, мешал пациентам соседней больницы. Верующие согласились прекратить колокольный звон и собрать средства на строительство родильного дома, однако власти отклонили их просьбы.
В 1929 году храм был закрыт, а его настоятель, протоиерей Фёдор Колеров, вместе со старостой Ананием Бойковым и Михаилом Болдаковым были арестованы и расстреляны 29 ноября 1929 года. 26 июля 1998 года они были причислены к лику святых.
Весной 1947 года храм был возвращён верующим, и в нём возобновились богослужения. В 1948 году службу в Преображенской церкви совершил игумен Пимен, будущий Патриарх Московский и всея Руси. В 1973 году храм получил статус собора. В 1996 году началась реставрация собора, завершившаяся в 2000 году. В 2001 году Кимрский краеведческий музей передал Преображенскому храму Иверскую икону Богоматери, подаренную Кимрам монахами Афонского монастыря в 1901 году.
