Строительством руководил настоятель Успенского Далматовского монастыря игумен Адам (Аркудинский).В 1777 году собор был освящён в честь Преображения Господня, а один из его приделов посвящён Архистратигу Михаилу.
В период строительства собора, в феврале 1774 года, Шадринск оказался под угрозой нападения отрядов Емельяна Пугачёва, осадивших Далматовский монастырь и приблизившихся к городу. Однако решительные действия генерала Деколонга позволили рассеять основные силы мятежников и предотвратить угрозу городу, после чего строительство собора продолжилось.
В 1820–1821 годах к трапезной части собора была пристроена колокольня. Собор стал первой каменной постройкой города и был выполнен в стиле сибирского барокко, характерного для архитектуры Тобольска начала XVIII века. Основные особенности этого стиля, такие как форма «корабля» с расположенными по оси «запад—восток» колокольней, двухпридельной трапезной и стройным двусветным четвериком, присутствуют и в архитектуре шадринского собора.
В советский период, в 1930-е годы, собор был закрыт, а его здание использовалось под складские помещения, что привело к значительным разрушениям и утрате многих архитектурных элементов. В частности, была снесена колокольня.
В 1989 году в Шадринске образовалась инициативная группа, которая обратилась к городским властям с просьбой о передаче здания собора для возрождения в нём православных богослужений. Несмотря на то, что внутри храма была полная разруха, первое богослужение состоялось уже на праздник Архистратига Божия Михаила 21 ноября 1989 года. С тех пор одновременно с богослужениями начались и восстановительные работы силами прихода.
