История Спасо-Преображенского собора берет начало задолго до строительства современного здания. Первая деревянная церковь на этом месте появилась практически одновременно с основанием города. В 1654–1660 годах на ее месте был возведен первый каменный храм во имя Преображения Господня, который в 1779 году получил статус городского собора.
Однако к началу XIX века старый собор обветшал и перестал вмещать растущее число прихожан. Вопрос о строительстве нового храма поднимался с начала века, но окончательное решение было принято лишь в 1838 году. Проект нового, монументального собора был разработан ректором Академии художеств Авраамом Мельниковым (по одной из версий, этот проект изначально участвовал в конкурсе на строительство Исаакиевского собора в Петербурге и занял третье место). Строительство велось на средства рыбинских купцов М.Н. Кувшинникова и А.Д. Смирнова и продолжалось с 1838 по 1851 год. Собор был рассчитан на 4000 прихожан.
Интересной особенностью является то, что великолепная пятиярусная колокольня, которая сегодня является частью единого ансамбля, была построена гораздо раньше — в 1797–1804 годах, предположительно по проекту костромского зодчего Степана Воротилова. Изначально она стояла отдельно, и лишь позднее, при строительстве нового собора, ее соединили с храмом галереей-трапезной, что придало постройкам вид единого архитектурного ансамбля.
В 1929 году Спасо-Преображенский собор был закрыт, а в 1933 году его переоборудовали под речной вокзал с рестораном и залами ожидания. В середине 1930-х годов начался демонтаж пятиглавия собора. После Великой Отечественной войны помещения храма использовались под общежитие и другие нужды.
В конце 1960-х — начале 1970-х годов собор был частично отреставрирован: восстановлены барабаны и главы. Здание было передано филиалу государственного архива Ярославской области. В 1996 году колокольня была возвращена церковной общине, а в ноябре 1999 года и основное здание собора было передано Ярославской епархии. Комплексная реставрация, вернувшая храму былое величие, проводилась с 2003 по 2007 год.
Спасо-Преображенский собор является ярким примером архитектуры классицизма. Это величественный крестово-купольный пятиглавый храм с коринфскими портиками. Он соединен галереей с барочно-классицистической пятиярусной колокольней, увенчанной высоким золоченым шпилем.
Внутренняя стилистика также соответствует классицизму. Храм имеет просторные помещения, способные вместить большое количество прихожан. В 1846 году храм был расписан артелью палехских мастеров под руководством Н.Л. Сафонова. Эта же артель написала 40 икон для иконостаса. Лепнину купола и карнизов выполнил крепостной крестьянин-скульптор Петр Антонов, а орнаменты – ярославский живописец Иван Лотошилов. Особо почитаемой была древняя храмовая икона Преображения Господня.
К сожалению, внутренние фрески были утрачены в советский период. В настоящее время Рыбинская епархия ставит целью восстановление внутреннего убранства собора, включая воссоздание росписей. На презентации эскизов в 2023 году были представлены варианты того, как могут выглядеть восстановленные росписи. Отмечается, что в новых росписях планируется связь с местной историей, например, композиция с образом святого праведного воина Федора Ушакова.
Спасо-Преображенский собор в Рыбинске — это не только важный духовный центр, но и значимый памятник истории и архитектуры, свидетельствующий о богатом прошлом города.