Строительство храма началось в 1771 году с благословения епископа Тобольского и Сибирского Варлаама.Руководил строительством настоятель Успенского Далматовского монастыря игумен Адам Аркудинский.Собор был возведен на месте прежней деревянной Михаило-Архангельской церкви, основание которой совпадает с основанием самого города.В 1777 году собор был освящен в честь Преображения Господня, а один из его приделов был посвящен Архистратигу Михаилу.
Архитектурный облик собора представляет собой образец сибирского барокко с элементами украинского барокко и провинциального классицизма. Главная часть храма увенчана пятиглавым куполом, а западная часть, где размещаются приделы, завершалась трехъярусной колокольней, пристроенной в 1820–1821 годах. Каменная галерея соединяла колокольню с воротами церковной ограды. В архитектурном ансамбле собора использованы декоративные элементы, такие как колонны, фигурные ниши и сложные карнизы.
В 1867 году на средства прихожан был устроен новый иконостас главного храма. По заказу шадринского купца А. Г. Шишкина, академик живописи Евграф Сорокин написал несколько образов для иконостаса. В 1904 году был произведен ремонт собора, колокольни и ограды снаружи. Внутри основного храма и его алтаря в 1907 году была выполнена живопись художником В. И. Звездиным.
После революции 1917 года собор претерпел значительные изменения. В 1926 году храм был передан представителям «григорианского раскола», однако в начале 1930-х годов он был закрыт. Колокола были сброшены с колокольни, сама колокольня была позже разобрана, а также были уничтожены часовни и ограда. Здание использовалось различными организациями: сначала как столовая, затем как магазин, а во время Великой Отечественной войны оно было преобразовано в тюрьму.
В 1960 году Спасо-Преображенский собор был поставлен на учет как памятник архитектуры республиканского значения. Реставрационные работы начались в 1970-х годах, и к концу 1980-х годов снаружи храм был приведен в порядок. В 1989 году собор был возвращен церкви. В 1994 году был освящен Петропавловский придел в трапезной, в 1996 году — придел Михаила Архангела, а в 1999 году — главный престол. В 2003 году были восстановлены утраченные портики при входе в храм.
