31 июля 1748 года купец Иван Борисович Твердышев получил разрешение на строительство второго медеплавильного завода, известного как Преображенский завод. Первая плавка на этом заводе состоялась 18 сентября 1750 года. Вокруг завода сформировалось село Преображенское, ныне известное как Зилаир.
Сведения о времени строительства первой церкви в селе Преображенском разнятся. По данным Н. Чернавского, церковь была построена в 1761 году, тогда как П. И. Рычков указывает, что деревянная церковь Преображения Господня существовала при заводе уже в 1760 году. После 1789 года, во время владения заводом Петра Гусятникова, была построена вторая деревянная церковь и часовня, вероятно, взамен первой, пришедшей в ветхость или уничтоженной.
Между 1837 и 1846 годами владельцем завода стал Михаил Васильевич Пашков. В этот период была построена каменная Преображенская церковь, сохранившаяся до наших дней. Архитектурные особенности храма соответствуют стилю классицизма первой половины XIX века. Сестра М. В. Пашкова сыграла значительную роль в обустройстве храма: по её приглашению художники расписали интерьер, был создан церковный хор. Центральный колокол весом 246 пудов был отлит на заводе местными мастерами.
В 1938 году богослужения в храме были прекращены, а в 1940 году последовало официальное решение о его закрытии. В начале 1946 года местные верующие обратились с ходатайством об открытии церкви, и 21 августа 1946 года оно было удовлетворено. Однако в 1961 году по решению властей храм вновь прекратил свою деятельность, и в его здании разместился кинотеатр «Космос».
В 1989 году здание храма было возвращено общине верующих. В 2004 году восстановлена колокольня, а в 2021 году установлен купол с крестом. В настоящее время ведутся реставрационные работы с целью вернуть храму его исторический облик.