Первая деревянная церковь в деревне Глазовской была построена в 1750 году на средства новокрещеных удмуртов по указу Святейшего Синода от 3 апреля 1747 года. Храм освятили во имя Вознесения Господня с приделом в честь святителя Николая Чудотворца. Одновременно открыли приход, и деревня Глазовская стала селом.
В апреле 1786 года Вятская духовная консистория выдала храмозданную грамоту на постройку каменной церкви вместо ветхой деревянной. Строительство завершили в 1793 году на средства прихожан и купеческой вдовы Феклы Кореневой из Слободского. Главный престол освятили в честь Преображения Господня 7 декабря 1798 года, Николаевский придел — 26 сентября 1794 года, придел преподобного Исидора Пелусиота — 24 сентября 1794 года. С 1801 года храм получил статус собора.
В 1809 году к собору пристроили колокольню, а в 1817 году во втором ярусе колокольни устроили церковь во имя Вознесения Господня. В 1859 году к колокольне пристроили двухпрестольную теплую церковь: правый придел освятили в честь иконы Божией Матери «Всех скорбящих Радость», левый — во имя святителя Николая Чудотворца. Иконостас выполнил почетный гражданин Григорий Сергеев.
В 1875 году холодную церковь разобрали, а на ее месте начали строительство нового большого храма. В 1879 году из-за непропорционального устройства главного купола храм рухнул. Восстановление завершили в 1887 году. В подвальной части устроили пещерную церковь во имя преподобного Исидора Пелусиота (освящена 8 июля 1893 года), главный престол освятили в честь Преображения Господня (18 июля 1894 года), правый придел — во имя Черниговской иконы Божией Матери (21 июня 1896 года), левый — в честь пророка Илии (3 сентября 1905 года).
В 1930 году Вознесенскую и Никольскую церкви закрыли и разобрали. Преображенский собор закрыли в 1938 году, здание использовали как склад, а в 1960-х годах полностью разрушили. В 1999 году началось восстановление храма в сохранившемся здании бывшего ночлежного дома прихожан. В 2006 году устроили Вознесенский придел, а в 2008 году собор освятили как кафедральный храм Глазовской епархии.