Стоящий на набережной Волги собор считается главной достопримечательностью города. В свое время здесь находился храм во имя Преображения Господня, построенный в середине XVII века.
В старом соборе молилась императрица Екатерина II, останавливавшаяся в тогдашней Рыбной слободе во время своего путешествия в Казань в мае 1767 года.
Неизвестный художник по оригиналу Ф. Де Мейса. Путешествие Екатерины II по России в 1787 году. Аллегория.
Местные летописцы сообщали, что «галера Ее стояла всю ночь на якоре против нарочито устроенного деревянного дворца, а поутру 9 мая, в день Святителя Великого и Чудотворца Николая Мирликийского, спустилась к храму Преображения Господня. Здесь, при бесчисленном стечении народа, Государыня встречена была духовенством, приложилась к Животворящему Кресту и, отправившись в храм Преображения, слушала божественную литургию в устроенном для того месте».
Местное купечество поднесло Екатерине Великой в подарок красивое кресло.
Местное купечество поднесло Екатерине Великой в подарок красивое кресло, но императрица, отблагодарив дарителей, повелела навечно поставить сие кресло в соборе на том самом месте, где она изволила выслушать литургию. Распоряжение августейшей особы было, естественно, исполнено. Сто лет спустя историческое кресло, над которым устроили позолоченный балдахин, сменило место нахождения.
И. М. Белоногов. Вид города Рыбинска. 1848
С годами собор Преображения Господня, выстроенный в лучших традициях ярославской архитектуры, начал ветшать. К тому же с ним дисгармонировала 94‑метровая колокольня, выстроенная, как полагают историки, по проекту Степана Воротилова. Документальных подтверждений авторства нет, зато известно о пребывании архитектора-самоучки в Рыбинске в годы возведения колокольни (1796—1804).
В. М. Максимов. Вид города Рыбинска. 1886
52 колонны колокольни, расположенные на всех четырех ярусах, создают впечатление устремленности постройки в небо. Под вальмовой крышей здания в 1896 году были установлены действующие и поныне механические куранты работы известной фирмы Фридриха Винтера. Их необходимо заводить раз в три дня. Для этого часовому мастеру приходится совершать подъём по ведущим на самый верх колокольни 264 деревянным ступеням.
С. М. Прокудин-Горский. Город Рыбинск. Собор Спаса Преображения. 1910
В 1811 году начались дебаты о необходимости постройки нового храма. Они затянулись на 20 с лишним лет, поскольку расчётливые купцы никак не могли решить — сохранять старый храм или нет. В 1838 году решение о сносе все же приняли. В утвержденном проекте ректора петербургской Академии художеств Авраама Мельникова предлагалось соединение храма с колокольней с помощью галереи-трапезной. Новый собор освятили в 1851 году.
В 1929 году собор закрыли, а богатейшие интерьеры уничтожили. Пропал, в частности, роскошный резной иконостас, который украшали 40 обвитых декоративными виноградными лозами колонн.
В 1929 году собор закрыли, а богатейшие интерьеры уничтожили. В 1933–1939 в здании собора был ресторан
Опустевшее здание должны были снести при строительстве автомобильного моста через Волгу, но из-за начавшейся войны от этого плана отказались. Здание пытались использовать как овощехранилище, цирк и театр, но в конце концов переоборудовали в общежитие. В новом проекте Рыбинского моста 1963 года, уже предусматривалось не только сохранение собора, но и воссоздание его исторического облика. В 1996 году собор передали РПЦ.
В 1970-х было восстановлено пятиглавие, часовой механизм и позолоченный шпиль колокольни (слева). Собор в настоящее время (справа)