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 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 Д. 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.

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 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.

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, Тульче 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. 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 Радосте .

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.

Спасо-Преображенский собор открыт ежедневно с 8.00 до 20.00.