Первое упоминание о деревянном храме Преображения Господня на территории Липецка относится к периоду между 1775 и 1784 годами. Его строительство было обусловлено указом Святейшего Синода от 29 ноября 1771 года, запрещавшим захоронения при городских церквях и предписывавшим создание отдельных кладбищ за городской чертой с возведением при них храмов. Антиминс для освящения престола был выдан епископом Воронежским Тихоном III в 1775 году.
В 1808 году на месте обветшавшего деревянного храма началось строительство каменной церкви, завершившееся к 1813 году. Окончательная отделка здания продолжалась до 1824 года. В 1837 году на средства вдовы-корнетши Александры Петровны Сатиной к храму были пристроены каменная трапезная и двухъярусная колокольня высотой 8 саженей 1,5 аршина. В трапезной части были устроены и освящены два придела: во имя Казанской иконы Божией Матери и Усекновения главы Иоанна Предтечи.
Первоначально храм не имел самостоятельного причта, будучи приписанным к Вознесенской церкви Липецка. Только в 1840 году по ходатайству А.П. Сатиной Святейший Синод утвердил отдельный штат, включавший священника, дьячка и пономаря. На содержание причта Сатина пожертвовала капитал в размере 2 935 рублей.
В 1875 и 1892 годах храм подвергся значительной реконструкции на средства церковного старосты, липецкого купца Ивана Ивановича Шелихова. В 1903 году мещанин Степан Алексеевич Котельников финансировал сооружение каменной ограды вокруг кладбища. Архитектурно храм представляет собой равноконечный крест с объемной композицией типа «восьмерик на четверике», характерной особенностью которого является низкий восьмерик с круглыми окнами.
В 1937 году храм был закрыт советскими властями, а его здание использовалось как бондарная мастерская Липецкого промкомбината. Богослужения возобновились в 1946 году, после чего храм более сорока лет оставался одним из двух действующих в Липецке. В 1989 году на колокольню были возвращены колокола, а в 1991-1992 годах построено двухэтажное здание с крестильным храмом и воскресной школой.