История храма начинается с основания Тамбовской крепости в 1636 году. В том же году был построен деревянный двухэтажный храм, освящённый в честь Преображения Господня. В 1677 году храм получил статус соборного, а в 1682 году, с образованием Тамбовской епархии, стал кафедральным собором. Первоначальный деревянный храм просуществовал до конца XVII века.
В 1694 году епископ Питирим начал строительство нового каменного собора. Строительство велось быстро, и к лету того же года стены были возведены до высоты 14 метров. Однако завершить строительство при жизни епископа Питирима не удалось; он скончался в 1698 году и был погребён в приделе святителя Николая в нижней части храма.
В последующие десятилетия строительство собора продолжалось с перерывами. В 1784 году купец Матвей Бородин приступил к завершению верхней части храма, заменив ветхие деревянные конструкции на кирпичные. В 1801 году купец Матвей Малин завершил отделку верхнего храма и установил трёхъярусный иконостас.
В 1811 году началось строительство каменной колокольни, которая была освящена в 1812 году. К середине XIX века собор потребовал капитального ремонта. В 1843–1849 годах были проведены работы по оштукатуриванию стен, установке новых оконных рам, замене полов и обновлению иконостасов. В 1879 году были построены два флигеля с южной и северной сторон собора, завершившие архитектурную композицию храма.
В 1905 году западная пристройка с лестницей была заменена на более просторную. В 1913 году собор был заново оштукатурен, и стены лестничной пристройки расписаны сюжетами из жизни святителя Питирима. В 1914 году состоялось прославление святителя Питирима, и его мощи были помещены в нижнем Благовещенском храме собора.
В 1930 году собор был закрыт, а в 1931 году колокольня разобрана. Здание использовалось как краеведческий музей. В 1988 году мощи святителя Питирима были возвращены Церкви. В 1993 году нижний храм был возвращён Тамбовской епархии, и в нём начались восстановительные работы. В 1994 году музей освободил верхний храм, и в нём также начались реставрационные работы, завершённые в 1998 году.
В 2007 году к 325-летию Тамбовской епархии были проведены значительные реставрационные работы: купола собора были позолочены, фасад окрашен в бирюзовый цвет с белыми декоративными элементами, установлен новый позолоченный иконостас в нижнем храме. В 2013 году начались работы по воссозданию разрушенной колокольни на её историческом месте. В настоящее время собор действует и является духовным центром Тамбовской епархии.
