Спасо‑Преображенский кафедральный собор в Рыбинске не просто культовое сооружение, а подлинный архитектурный символ города. Его истоки уходят в середину XVII века, когда на месте двух обветшавших деревянных церквей - Преображенской и Петропавловской возвели первый каменный храм. Это было монументальное четырёхстолпное здание на высоком подклете, украшенное пятью световыми барабанами с луковичными главами. Особую выразительность храму придавали паперть‑галерея с кубическими приделами и шатровая восьмигранная колокольня - черты, характерные для ярославской школы зодчества. В 1779 году храм получил статус городского собора, закрепив за собой роль духовного центра растущего торгового города.
К началу XIX века здание пришло в упадок, его вместимость перестала соответствовать потребностям быстро развивающегося Рыбинска. Решение о строительстве нового собора обернулось затяжным спором: часть горожан настаивала на сохранении исторической постройки как памятника усердию предков, другие же выступали за радикальную перестройку ради нужд торговли и инфраструктуры. Лишь в 1838 году старую церковь разобрали, начав возведение новй по проекту ректора Петербургской академии художеств А. И. Мельникова. Архитектурное решение обеспечивало гармоничную связаь собора с уже существовавшей пятиярусной колокольней через галерею‑трапезную. Торжественное освящение собора Преображения Господня состоялось 29 июня 1851 года, а в 1909 году он получил статус кафедрального по решению Святейшего синода.
Архитектурно здание представляет собой образец позднего классицизма с чёткими симметричными формами, выстроено как равноконечный крест, вписанный в квадрат со стороной около 43 м. Центральный объём увенчан сферическим куполом на подпружных арках, опирающихся на четыре мощных семиугольных столба. По углам основного объёма расположены четыре малых световых барабана с куполами, создающие эффект ступенчатого подъёма к центральной главе. С запада к центральному нефу примыкает узкая галерея‑трапезная, соединяющая храм с колокольней.
Фасадное убранство сочетает строгость классицизма с изысканной деталировкой: стены прорезаны двумя рядами окон, а по периметру проходит профилированный карниз. Боковые фасады завершены глухими декоративными фронтонами, придающими композиции завершённость. Высота собора достигает 49 м, а его вместимость - 4 тысячи человек.
Особого внимания заслуживает колокольня, возведённая в 1797–1804 годах по проекту костромского зодчего Воротилова.
Высота колокольни составляет 93,7м, что делает её одной из самых высоких в России. Архитектурное решение сочетает ранний классицизм с барочными элементами: нижний ярус украшен рустом и пилястрами, верхние - ионическими колоннами.
Верхний ярус, декорированный волютами, вмещает куранты, установленные в 1896 году фирмой Фридриха Винтера (Санкт‑Петербург).