Первоначально на месте нынешнего собора в XVI веке была возведена деревянная церковь. Впоследствии, в XVII веке, на этом же месте также существовал деревянный храм. С течением времени возникла необходимость в строительстве более прочного каменного здания. В период с 1693 по 1748 годы был сооружен каменный собор с приделами во имя Благовещения Пресвятой Богородицы и преподобного Варлаама Хутынского. Освящение собора было проведено согласно указу архиепископа Новгородского Стефана.
Во второй половине XIX века собор подвергся значительной реконструкции. В период с 1872 по 1883 годы под руководством архитектора И.И. Буланова были проведены капитальные перестроечные работы. В ходе этих работ к основному объему храма был пристроен теплый придел, а также возведена трехъярусная колокольня высотой 19 сажен (около 40,5 метров), стоявшая отдельно от основного здания. Купола собора были позолочены, что придавало ему величественный вид. В результате реконструкции в соборе стало три придела: главный — Преображения Господня, южный — в честь преподобного Варлаама Хутынского и северный — Благовещения Пресвятой Богородицы.
В 1939 году собор был закрыт, и в последующие годы его здание использовалось не по прямому назначению. В 1930-х годах колокольня была разрушена, а само здание собора лишилось куполов и было переоборудовано под кинотеатр.
В августе 1993 года здание собора было возвращено Русской Православной Церкви. 2 мая 1994 года, после проведения необходимых восстановительных работ, главный придел собора был освящен в честь Преображения Господня, и в нем возобновились регулярные богослужения. В 2004 году был восстановлен и освящен придел Благовещения Пресвятой Богородицы.
