Заложен 22 июня 1743 (по проекту М. Г. Земцова) Императрицей Елизаветой Петровной для Преображенского полка. Освящен 18 августа 1754 как полковой собор епископом Сильвестром в присутствии Императрицы.
Главный престол освящен в честь праздника Преображения Господня (19 августа); южный придел (правый) – Прп. Сергия Радонежского (престольные праздники: 8 октября, 18 июля); северный – сщмчч. Климента, папы Римского, и Петра Александрийского (престольный праздник 8 декабря).
Главные святыни собора: «Нерукотворный образ Спасителя», написанный в 1676 Симоном Ушаковым, любимая икона Петра I, сопровождавшая его всю жизнь; почитаемая икона «Всех скорбящих Радость», прославленная чудесным образом в Москве и перенесенная в Санкт-Петербург в 1711; икона вмч. и целителя Пантелеимона с частицей святых мощей.
Храм не закрывался. Памятник архитектуры федерального значения, охраняется государством.