Собор начали строить сразу после открытия мощей Серафима Саровского. Средства на постройку пожертвовал Федор Федорович Долгинцев, почетный гражданин Москвы. Он специально переехал жить из Москвы в Дивеево и непосредственно участвовал в строительстве храма. В конце жизни он принял монашеский постриг с именем Серафим. Умер он в 1916 году и похоронен у алтаря Троицкого собора. В настоящее время его могила восстановлена.
Инициатором создания Спасо-Преображенского собора стал никто иной как Серафим Саровский. Он перед смертью попросил построить еще один храм в Дивеево, в самом конце Канавки. Иван Толстошеев – последователь Серафима, сделал по-своему. Он приказал выстроить там Тихвинскую церковь, которая никому не понравилась. Снести храм никто не осмелился. И тогда было решено все-таки выстроить Преображенский собор, но уже в начале Канавки.
Архитектором собора был Александр Александрович Румянцев. Расписывали собор сестры монастырской иконописной мастерской под руководством художника Парилова. Когда храм был готов, и оставалось только установить иконостас, выяснилось, что неправильно устроена система отопления. К концу строительства из Санкт-Петербурга привезли огромные чугунные кресты, но установить их не успели, как не успели освятить и сам собор в связи с началом революционных событий 1917 года. После закрытия монастыря в здании собора был тир, а потом гараж.
При закладке нового собора блаженной Паше Саровской было видение, что собор порос по углам черемухой. Ее пророческое видение означало, что собор ждет период долгого запустения. Это предсказание Паши Саровской, как и многие другие, сбылось.
Собор в честь Преображения Господня был отреставрирован и освящен 3 сентября 1998 года. При рсвещении в обители установили иконостас.
