Первоначально возведён по повелению императрицы Елизаветы Петровны в период с 1743 по 1754 год по проекту архитектора Михаила Земцова на месте съезжей избы (штаба) гренадерской роты лейб-гвардейского Преображенского полка в память о восшествии императрицы на престол с помощью солдат и офицеров этого полка[1]. Закладка трёхпридельного собора состоялась 9 июня 1743 года. После смерти Михаила Земцова строительством руководил архитектор Пьетро Трезини, который несколько изменил проект, сделав собор в стиле барокко пятиглавым. Собор был освящён архиепископом Сильвестром 5 (16) августа 1754 года в присутствии императрицы, накануне праздника Преображения Господня. Пятиярусный иконостас и алтарная сень выполнены московскими резчиками Кобылинскими по эскизу архитектора Ф. Б. Растрелли. Образа написал художник М. Л. Колокольников.

12 ноября 1796 года, во время царствования императора Павла I, полковой Спасо-Преображенский собор получил почётное название «собор всей гвардии».

8 (20) августа 1825 года возник пожар и первый Спасо-Преображенский собор сгорел, но из него успели вынести все основные святыни. От собора остались лишь стены.

В 1825—1829 годах он был восстановлен архитектором Василием Стасовым в стиле ампир. Именно в этом виде собор и дошёл до наших дней. 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 cвященномучеников 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.

После Октябрьской революции 1917 года собор оставался действующим. В 1918 году он стал приходским, и знамёна, орудия и военные трофеи, хранившиеся в соборе, были изъяты и переданы в Артиллерийский музей, а с 1950 года эти реликвии находятся в коллекции Эрмитажа. Также в 1920-е годы были изъяты многие ценные иконы.

С 1922 до 1926 (Союз Церковного Возрождения Антонина Грановского) и с 1935 года до весны 1944 года собор находился в ведении обновленческих структур; с 1939 года, после закрытия храма Спаса на Сенной, был главным обновленческим храмом в Ленинграде. Во время Ленинградской блокады в подвале храма было устроено бомбоубежище на 500 человек, в котором оказывалась помощь раненым.В 1946—1948 годах была проведена реставрация фасадов и интерьеров храма.