Каменный собор возведён около дворца в 80-е годы XV в., выступает неотъемлемой составляющей архитектурного ансамбля дворца. Он занимал позицию, немного продвинувшись к северу, примкнув плотно к дворцу. Ознакомившись с летописным описанием собора 1674 г., можно сделать вывод о его схожести с иными сооружениями данного периода, скажем с Ризоположенской церковью Московского Кремля.
За время своего существования собор не раз разрушали. Огромные повреждения получил в период польского вторжения первой половины XVII в., к окончанию практически разрушен. В 1713 г. возведён новый собор, который мы можем наблюдать в наши дни.
Спасо-Преображенский собор, возведённый вновь, является величественным сооружением. Массивный куб главной части, накрытый четырёхскатной кровлей, имеет впечатляющее пятиглавие. Узор на стенах делится с помощью лопаток на 3 части. Создателем собора является каменщик из Ярославля, крепостной Г. Фёдоров. Для того чтобы придать храму нарядность, его стены и барабаны были украшены декоративной обработкой. Пышный орнамент южного портала, с его высокой степенью выразительности, является наиболее ярким примером.
С южной стороны собора в первой половине XIX в. возведены портик, западная паперть и северный придел.
Внутри находится перекрытие, достигающее 14 см. Росписи сделаны в первой половине XIX в. группой художников под управлением Тимофея Медведева.
При написании картин художники использовали живописные приёмы. Например, они использовали объёмные карнизы и колонны, которые делают собор наиболее просторным внутри. В основе сюжетной линии этой росписи лежат евангельские истории. По некоторым данным, на северной стене была изображена сцена Преображения, которую исполнил сам Тимофей Медведев. Вблизи собора в 1730 г. возведена колокольня.
Элементы кровли и главки изготовлены в первой половине XIX в. Её высота над собором является своеобразным объединяющим центром всех построек Кремля. Отлично видимая колокольня и купола собора составляют единый комплекс памятников Углича.
