В Писцовых книгах В. А. Керекрейского 1626 года впервые встречается упоминание o деревянной Преображенской церкви Белгорода. В церковных книгах Белгородского Николаевского мужского монастыря после переноса города на правый берег Северского Донца также говорится o Преображенской церкви. В 1813 году на деньги прихожан на месте обветшавшего деревянного храма возведен каменный в стиле русского классицизма по проекту архитектора Е. А. Васильева. В 1925 году, после закрытия старинного Троицкого собора, Преображенская церковь получила статус кафедрального собора.

Преображенский собор закрыт в 1962 году, здание передано краеведческому музею. В 1973 году после ремонта и перепланировки помещений открыт для посещений. Поэтапная передача собора Русской Православной Церкви началась в сентябре 1990 года. 17 сентября 1991 года при участии Святейшего Патриарха Московского и всея Руси Алексия II в Преображенский собор торжественно перенесены мощи святителя Иоасафа.