19 декабря 1990 года архиепископ Евсевий совместно с тольяттинским духовенством совершил водосвятный молебен на месте предполагаемого строительства собора и установил памятный крест с надписью о будущем возведении храма. Строительство комплекса началось в июне 1992 года с возведения крестильного храма во имя Иоанна Предтечи, рассчитанного на 800 человек, и примыкающего к нему административного корпуса. 20 ноября 1994 года епископ Самарский и Сызранский Сергий освятил Иоанно-Предтеченский храм, и в нем начались регулярные богослужения.
Проектирование Спасо-Преображенского собора осуществлялось при участии проектного управления ОАО «АвтоВАЗ», архитектурного отдела Троице-Сергиевой лавры и строительных организаций «Гидромонтаж» и «Монолит». 28 мая 1996 года владыка Сергий заложил первый камень в основание собора, привезенный со святой горы Фавор, где, согласно Писанию, произошло Преображение Господне. В присутствии многочисленных священнослужителей и гостей был отслужен водосвятный молебен.
Строительство собора велось управлением капитального строительства промышленных зданий и сооружений ОАО «АвтоВАЗ» при поддержке генеральных подрядчиков: АО «Гидромонтаж», «Куйбышевболгарстрой» и ООО «Инвест-Авто». Летом 2002 года строительство было завершено, и 19 августа того же года архиепископ Самарский и Сызранский Сергий совершил торжественное освящение собора.
Собор представляет собой грандиозное архитектурное сооружение высотой 62 метра, занимающее площадь застройки 2800 квадратных метров и вмещающее от трех до пяти тысяч человек. В его структуру входят главный алтарь в честь Преображения Господня, южный алтарь в честь святителя Николая Чудотворца и северный алтарь в честь 40 мучеников Севастийских. Высота центрального иконостаса составляет 15 метров. Полы собора выложены мозаикой из двенадцати видов мрамора, внутренние и наружные двери выполнены из резного дуба с латунной фурнитурой и декоративными решетками. Купола и кресты облицованы нержавеющей сталью с покрытием нитридом титана, имитирующим золото.
Особенностью собора является сочетание византийской и русской изразцовой мозаики: мозаичные иконы отделаны керамическими изразцами, которые также установлены под карнизами, закомарами и в нишах. Внутри храм освещается тринадцатью паникадилами, самое большое из которых семиярусное, высотой около 10 метров и весом 3 тонны.
При соборе действует крестильный Иоанно-Предтеченский храм и примыкающий к нему административный корпус (дом причта), в котором размещаются воскресная школа, библиотека с читальным залом, трапезная, хоровая комната и просфорня. В воскресной школе изучаются Закон Божий, история Русской Православной Церкви и духовная музыка. В соборе функционируют два хора: малый и большой.
В июле 2006 года в собор была доставлена одна из значимых святынь христианского мира — десница святого Иоанна Крестителя.
В 2019 году собор получил статус кафедрального храма Тольяттинской епархии Русской Православной Церкви.
