Строительство собора началось в 1798 году и храм должен был стать центром православия в Пермской губернии, центральным зданием ансамбля мужского Спасо-Преображенского монастыря. Строительство храмовой части завершено в 1818 году.
В 1818 году начали возводить колокольню. Завершили строительство колокольни в 1832 году. По некоторым сведениям, в основании этого храма имеются части разобранного монастыря из с. Пыскор, который планировали перенести из Пыскора в Пермь.
В ансамбль Спасо-Преображенского монастыря входило здание храма, колокольня, архиерейский дом, духовная семинария и другие постройки.
В 1852 году собор был подвержен реконструкции - были соединены в единый комплекс колокольня, храм и архиерейский дом.
Позже, в период с 1892 года по 1893 год здание храма было расширено боковыми приделами. В 1920-е гг собор подвергся разрушениям: был вывезен мраморный иконостас, разграблена ризница, с икон сняты позолоченные и серебряные ризы.
В 1931 году здание собора было передано музею.