Первое упоминание о Преображенской церкви в Белгороде датируется 1626 годом. К началу XIX века существовавшие деревянные храмы Преображенский и Ильинский пришли в ветхость. В 1805 году было принято решение о строительстве нового каменного храма, объединяющего оба прихода. Проект был разработан харьковским архитектором Евгением Алексеевичем Васильевым. Строительство началось в 1807 году и завершилось в 1813 году.
Архитектурный облик собора выполнен в стиле классицизма. Здание двухэтажное, каменное, с колокольней. В нижнем этаже расположены три престола: главный — в честь Преображения Господня, южный — во имя пророка Илии, северный — во имя жен Мироносиц. В верхнем этаже находятся два престола: во славу Богоявления Господня и в честь иконы Знамение Пресвятой Богородицы. Иконостас собора четырёхъярусный, выполнен в стиле ренессанс, с резьбой на зелёном фоне. Царские врата резные, без фольги, украшены орнаментами и изображением голубя. На колокольне установлены девять колоколов, два из которых отлиты в 1852 году на заводе Рыжова.
В 1923 году, после закрытия Троицкого собора, Преображенский храм получил статус кафедрального собора. В 1934 году собор был закрыт и передан под полковой клуб. В 1942 году, во время немецкой оккупации, богослужения были возобновлены. После освобождения Белгорода в 1943 году храм продолжал функционировать. В 1962 году собор был вновь закрыт и передан краеведческому музею. В 1973 году после ремонта и перепланировки в здании открылся музей.
В сентябре 1990 года началась поэтапная передача собора Русской Православной Церкви. 17 сентября 1991 года в Преображенский собор были торжественно перенесены мощи святителя Иоасафа Белгородского. С этого времени собор вновь стал действующим храмом и главным кафедральным собором Белгородской и Старооскольской епархии.
