В 1905 году в поселении Надеждинского завода, ныне город Серов, началось строительство Спасо-Преображенского собора по проекту пермского архитектора Александра Бонавентуровича Турчевича. Собор был возведен на средства прихожан и владельцев завода. 30 ноября 1908 года состоялось его освящение. Здание собора, выполненное в русском стиле, имело стены из красного кирпича и было увенчано пятью куполами. Колокольня достигала высоты 46 метров. Собор стал центром православной жизни на Урале.
В 1931 году, в период антирелигиозной политики советской власти, Спасо-Преображенский собор был разрушен. На его месте долгое время оставался пустырь.
В 2001 году было принято решение о строительстве нового храма в честь Преображения Господня на месте разрушенного собора. Строительство началось с активной поддержки местных жителей и предприятий, в частности, Уральской горно-металлургической компании. 13 июля 2001 года была вырыта первая траншея в основании нового храма.
9 февраля 2006 года новый храм был освящен и открыт для прихожан. Архитектурно здание выполнено в стиле, напоминающем древнерусское зодчество XII—XIII веков. Центральное молитвенное помещение рассчитано на тысячу человек. Храм украшен пятью куполами, а на колокольне установлены специально отлитые колокола. Главным украшением храма является резной иконостас высотой 7 метров и шириной 15 метров, изготовленный в творческой мастерской Серовского металлургического завода.
Вокруг храма была обустроена площадь, получившая название Преображенская. Территория украшена клумбами, деревьями и фонтаном, став местом проведения городских мероприятий и отдыха горожан.
В марте 2018 года, в связи с образованием Серовской епархии, храм получил статус кафедрального собора. С этого момента он стал центром духовной жизни епархии, проводя регулярные богослужения и церковные мероприятия.