Спасо-Преображенский собор был построен в 1497 году из камня на месте сгоревшей деревянной церкви. В 1645 году Михаил Романов решил на месте сильно обветшавшего в годы польской интервенции храма возвести новый. Старый собор частично разобрали, возвели новые стены. В 1649 году храм был освящен.
Нынешний храм - четырехстолпный с пятью главами и тремя апсидами – по внешнему облику напоминает Успенский собор Московского Кремля. Окна на южной и северной сторонах расположены в два яруса. На восточной (алтарной) стороне окна размещаются в нижнем ярусе, а с западной стороны – в верхнем ярусе. Все окна украшены колонками кокошников. В 18 веке нижние окна были растесаны. С западной и южной стороны храм окружен крытой галереей со сводами и окнами.
В интерьере храма, на правом столбе его северной части изображены царь Михаил Федорович и его сын – царь Алексей Михайлович с рисунком Преображенского собора в левой руке. У этого столба некогда находилось царское место. На паперти собора сохранились изображения древнегреческих философов и поэтов. Эти фрески выполнены живописцем Зубовым. На входах в галереи – сюжеты из Апокалипсиса. Также сохранилось изображение родословного древа русских царей. На нем можно увидеть, как княгиня Ольга со своим внуком – князем Владимиром – поливают из сосуда корень сего царственного древа, заканчивающееся царем Иваном IV и его сыновьями.
Большая часть росписей была утрачена и только отдельные фрески, хранящиеся ныне в коллекции Третьяковской галереи и Историческом музее, могут рассказать о художественных достоинствах стенописи главного храма Новоспасского монастыря.
Подклет собора служил усыпальницей рода Романовых. Здесь захоронен патриарх Филарет – отец царя Михаила Романова, его мать – Ксения Романова, братья и сестры, умершие в малолетстве.
В 1919 году храм был закрыт. В настоящее время храм восстановлен и является действующим.
