В 1760 году на территории Воткинского завода была сооружена первая деревянная церковь во имя святителя Димитрия Ростовского. В 1774 году, во время восстания под предводительством Емельяна Пугачёва, этот храм был сожжён. Уже в 1775 году на его месте была возведена новая деревянная Димитриевская церковь. Впоследствии, не позднее 1818 года, эту церковь разобрали в связи со строительством Благовещенского собора. В 1819 году её перенесли на кладбище и в 1820 году освятили в честь Преображения Господня.
В 1820-х годах было принято решение о строительстве новой каменной церкви на месте старой деревянной. Проект разработал заводской архитектор Василий Никифорович Петенкин. Строительство началось в 1838 году и завершилось в 1839 году. Однако здание было ориентировано строго на восток и имело одноярусную колокольню, что отличалось от первоначального плана. В конце XIX века возникла необходимость укрепления, расширения и утепления храма. 9 сентября 1895 года был утверждён проект реконструкции, составленный архитектором Иваном Аполлоновичем Чарушиным. Однако вскоре после начала работ были обнаружены трещины в арках купола, что вынудило отказаться от этих планов. В 1897 году храм был разобран, а на месте алтаря установлен поклонный крест.
6 августа 1897 года состоялась закладка нового храма по проекту Ивана Аполлоновича Чарушина, который взял за основу прежний проект реконструкции. Освящение нового храма состоялось 10 сентября 1900 года. Как и предыдущий, он был приписным к Благовещенскому собору. В 1920–1930-х годах Преображенская церковь принадлежала обновленческой церкви. В советское время храм не закрывался и оставался единственным действующим в городе.
Архитектурно храм выполнен в русско-византийском стиле. В плане представляет собой вытянутый крест размерами 41 на 19 метров, ориентированный строго на восток. Размещение на склоне потребовало сооружения высокого крыльца и подклета. Внутри установлен трёхъярусный иконостас, сохранившийся в советское время. Росписи стен были выполнены в 1952–1953 годах. В 1991–1996 годах по проекту Н. Л. Звирздыня с северной и северо-западной стороны было сооружено здание из красного кирпича, в котором разместились административные и хозяйственные службы, воскресная школа, трапезная и крестильня.
