На месте, где ныне величественно и монументально стоит 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, навещала их и одаривала подарками.
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 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 взошествия 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 1743 году таковой был заложен, а 5 августа 1745 года Спасо-Преображенский собор был освящён в присутствии императрицы. Авторами проекта этого здания были П. А. Трезини и М. Г. Земцов. В создании внутреннего убранства принимал участие Ф. Б. Растрелли. Спасо-Преображенский собор стал последней работой Михаила Земцова, который скончался через несколько месяцев после закладки храма.
Облик первого здания Спасо-Преображенского собора сейчас не известен, все чертежи и рисунки утеряны. Известно, что этот храм стал первым пятикупольным. По повелению Елизаветы Петровны возродилась традиция строить пятиглавные храмы, тогда как до неё при Петре I строились церкви по европейской однокупольной системе.
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 В. П. Стасова храм был восстановлен. 5 августа 1829 года состоялось новое освящение собора, главный алтарь которого был освящён в честь праздника Преображения Господня. 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 1325 рублей, сэкономленных зодчим на сооружении ограды из стволов пушек.
Восстановленный храм был освящён митрополитом Серафимом 5 (17) августа 1829 года. Главный алтарь был освящён в честь праздника Преображения Господня, правый (южный) придел — в честь Преподобного Сергия Радонежского, а левый (северный) — в честь священномучеников Климента Римского и Петра Александрийского, день памяти которых отмечается 25 ноября (по старому стилю).
При соборе с 1871 года действовало приходское благотворительное общество, которое содержало богадельню, детский приют, столовую, школу для солдатских детей и бесплатные квартиры. С 1912 года в нём действовало Братство трезвости и целомудрия. В праздник Преображения Господня (народное название — Яблочный спас), приходящийся на 6 августа (по старому стилю), у храма устраивался традиционный фруктовый базар.
Вокруг собора по проекту Стасова был разбит сквер, окруженный изящной оградой. Она состоит из 34 гранитных оснований, на которых помещены 102 бронзовых орудийных ствола, по 3 на каждом. Орудия эти были взяты в русско-турецкую войну 1828-1829 гг. со стен турецких крепостей. Все средние стволы украшены золотыми двуглавыми орлами с коронами. Вокруг собора стояли 12 орудий и 2 единорога, составлявших собственность полка.
Так как храм являлся собором всей гвардии, внутри него хранились многочисленные знамёна и другие трофеи, добытые в войне с Османской империей. 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.
Поскольку храм был военным, то клир его подчинялся протопресвитеру военного и морского духовенства. Хозяйством управлял ктитор, назначавшийся командиром полка из заслуженных офицеров.
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.
Хотя сам собор никогда не закрывали, большинство святынь храма и ценные иконы были изъяты в 20-е годы. Общий интерьер собора сохраняет тот вид, который он имел во времена Стасова. Главный купол расписан под цвет облачного неба, в центре которого изображена большая звезда. В подкупольном пространстве находится большое пятикупольное паникадило на 120 свечей. Иконостас центрального придела — четырехъярусной, украшенный по белому фону золоченной резьбой. Образа иконостаса написаны на холсте известными живописцами А.И.Угрюмовым, В.К.Шебуевым, А.И.Ивановым.
Главными святынями Спасо-Преображенского собора сегодня являются Нерукотворный Образ Спасителя и икона Божией Матери «Всех Скорбящих Радосте».
Образ Спаса Нерукотворного находится на аналое у правого клироса. Он тесно связан с жизнью императора Петра Великого и был его любимым образом. Написанный известным московским живописцем Симоном Ушаковым для царя Алексея Михайловича, образ перешел к Петру I от матери. С ним он был и при закладке Петербурга, и при Полтавской баталии. Позже он был помещен в домике Петра I на Петербургской стороне, в столовой, превращенной в часовню. При закрытии часовни в 1930 г. чтимый образ перенесли в Троицкую церковь на Стремянной улице, а в 1938 г. — в Спасо-Преображенский собор.
Чтимая икона Божией Матери «Всех Скорбящих Радосте» лежит на аналое у левого клироса. Этот список с чудотворной иконы из храма Преображения Господня на Ордынке, сделанный по повелению сестры Петра I царевны Натальи Алексеевны и в 1711 г. привезенный ею из Москвы в Петербург. Во время войны с турками этот образ был в рядах русского войска. По возвращении Государя в столицу, в память спасения его и армии во время Прутского похода 1711 г., им был устроен храм Воскресения Христова при дворце царевны Наталии Алексеевны, где и был поставлен чтимый образ. Позже на месте этого дворца был построен новый храм для этой иконы. В этой церкви на Шпалерной улице образ оставался вплоть до ее закрытия в 1932 г, когда икона была перенесена в Спасо-Преображенский собор.
В храме есть три престола — главный, во имя Преображения Господня, северный, во имя священномученика Климента Папы Римского и Петра Архиепископа Александрийского и южный, во имя преподобного Сергий Радонежского Чудотворца. Возле северной стены собора, в приделе святых Климента и Петра, находится складень с образами Преображения Господня в центре, великомученика Пантелеймона и святого царя Константина. Этот складень в 1900 г. подарил полковому лазарету тогдашний командир полка, генерал-майор Великий князь Константин Константинович (известный поэт «К.Р.»).
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.