В 1730-х годах там, где находится Спасо-Преображенский собор, располагался внутренний двор гренадерской роты Преображенского полка. Этот полк часто посещала дочь Петра I Елизавета. Она была крестной матерью многих офицерских и солдатских детей, привозила им подарки.
В ночь с 24 на 25 ноября 1741 года Елизавета прибыла к преображенцам. После молитвы перед иконой Божией Матери она обратилась к солдатам с просьбой о поддержать её в совершении дворцового переворота. Елизаветой Петровной такая поддержка была получена, с солдатами она направилась к Зимнему дворцу перенимать власть у Анны Леопольдовны и малолетнего императора Ивана VI.
Уже через несколько дней после восшествия на престол в память об этих событиях новая императрица решила построить собор во имя Преображения Господня. Местом для него был выбран двор Преображенского полка. В июне 1743 года храм был заложен. Его проектирование начал архитектор М. Г. Земцов. После смерти зодчего 28 сентября 1743 года работу продолжил П. А. Трезини. В марте 1745 года императрица приказала:
В создании внутреннего убранства принимал участие Ф. Б. Растрелли. 5 августа 1754 года Спасо-Преображенский собор был освящён в присутствии императрицы. Кроме главного, здесь было ещё два придела: в честь Священномучеников Климента, папы Римского и Петра Александрийского, а также в честь Сергия Радонежского Чудотворца.
Большинство краеведческих источников указывают на то, что облик первого здания Спасо-Преображенского собора до сих пор не известен, так как все чертежи и рисунки утеряны. Но в альманахе "Религиозный Петербург" в 2004 году опубликованы проекты фасада Спасо-Преображенского собора и его иконостаса, датированные 1743-1744 годами. Точно известно, что этот храм стал первым пятикупольным. По повелению Елизаветы Петровны возродилась традиция строить пятиглавые храмы, тогда как до неё при Петре I строились церкви по европейской однокупольной системе.
Спасо-Преображенский собор был часто посещаем Елизаветой Петровной. 12 ноября 1796 года Павлом I он был назначен храмом всей гвардии.
8 августа 1825 года собор сгорел, но при пожаре из него успели вынести все святыни. Александром I было принято решение о скорейшем восстановлении здания, что было начато в 1827 году. Уже к зиме 1827 года году по проекту архитектора В. П. Стасова храм был восстановлен. Зодчему в работе помогали архитекторы Ф. П. Брюлло, М. Колль, художники А. Е. Егоров, Ф. И. Брандуков, А. И. Иванов и И. К. Шебуев.
5 августа 1829 года состоялось новое освящение собора, главный алтарь которого был освящён в честь праздника Преображения Господня. В этот день провели молебен по случаю перехода Российских войск за Балканы и взятие турецких крепостей и городов.
Храм был украшен деревянным резным пятиярусным иконостасом, напоминающим триумфальную арку. Резная сень в алтаре и царское место исполнены по рисункам Стасова. Бронзовая пятиярусная люстра создана мастером А. Дипнером.
На одной из башен собора в 1854 году установлены куранты, привезённые в Санкт-Петербург из Англии. Именно в таком виде Спасо-Преображенский собор дошёл до наших дней.
Новый Спасо-Преображенский собор стал одним из самых популярных в Санкт-Петербурге. Современники Стасова говорили, что в городе существуют два выдающихся сооружения - Казанский и Спасо-Преображенский соборы. За создание этого храма архитектору императором был подарен бриллиантовый перстень и 1 325 рублей, сэкономленных зодчим на сооружении ограды из стволов пушек.
Вокруг собора по проекту В. П. Стасова разбит сквер. Он окружён оградой, состоящей из дул 102 трофейных пушек. Эти пушки были взяты в плен в сражениях при Измаиле, Варне, Тульге и Силистрии в 1828-1829 годах. Таким образом ограда стала памятником героям русско-турецкой войны 1828 года.
Так как храм являлся собором всей гвардии, внутри него хранились многочисленные знамёна и другие трофеи, добытые в войне с Османской империей. По правую руку от входа располагались трофеи взятые в Европе, по левую - в Азии. Среди них - 488 полковых знамён, 16 флагов, 10 бунчуков, 1 булава, 2 жезла, захваченные в русско-турецкую кампанию 1828-1829 годов. В особых шкафах хранились преображенские мундиры Александра I, Николая I и Александра II, а также сабля Александра II, которая была на нём 1 марта 1881 года во время смертельного ранения при покушении. Собор был главным военным храмом Санкт-Петербурга.
Площадь вокруг храма носит связанное с ним название - Преображенская площадь.
В 1918 году Спасо-Преображенский собор стал приходским храмом. Военные трофеи были переданы в Артиллерийский музей. В 1950-м году они были переданы в Государственный Эрмитаж. Большинство икон и святынь были изъяты из храма в 1920-х годах. Главными святынями Спасо-Преображенского собора сегодня являются Нерукотворный Образ Спасителя и икона Божией Матери "Всех Скорбящих Радость".
Спасо-Преображенский собор никогда не прекращал свою работу, был действующим всё советское время. Внутри храма находится доска со списком погибших офицеров полка с 1702 по 1917 год. Спасо-Преображенский собор является одним из самых посещаемых храмов Санкт-Петербурга. Широко известен хор собора, где выступают солисты Академической капеллы.
