Храм Преображения Господня был построен на средства прихожан на месте обветшавшего деревянного храма в 1813 году по проекту известного архитектора Евгения Алексеевича Васильева.
В середине 1930-х годов Преображенский собор советской властью был закрыт. Но в годы Великой Отечественной войны богослужения в нем возобновилось. Однако в 1962 году он вновь оказался в числе храмов, подлежащих закрытию. Здание храма было передано областному краеведческому музею.
В 1990 году было начато богослужение в Ильинском приделе. Полностью собор возвратили Церкви в июле 1991 года.
В сентябре 1991 года в Преображенский кафедральный собор ыли перенесены мощи святителя Иоасафа, епископа Белгородского, чудотворца.
Нетленные мощи святителя Иоасафа, епископа Белгородского и Обоянского (1705-1754 годы), сегодня являются главной святыней Белгородской митрополии.
4 (17) сентября 1911 года, согласно определению Святейшего Синода, одобренному императором Николаем II, состоялось прославление епископа Иоасафа в лике святых и обретение его чудотворных мощей. До декабря 1920 года святые мощи покоились в Свято-Троицком соборе города Белгорода. В это время они были вскрыты большевиками и отправлены сначала в Курск, затем в Москву, в музей Наркомзема.
Но нетленные мощи святителя Иоасафа Белгородского и в Москве оставлять становилось «опасно». К ним шли паломники, чтобы приложиться. Мощи вывезли в Ленинград (ныне Санкт-Петербург), в Казанский собор. Тогда в соборе располагался музей религии и атеизма. Вначале мощи пытались выставлять напоказ в северном приделе собора – напротив могилы
М.И. Кутузова. Но там в точности повторилась московская история.
В 1970 году директор Ленинградского музея религии и атеизма получил указание убрать имеющиеся мощи из музея. Нетленные мощи святителя Иоасафа решили перепрятать на чердаке Казанского собора работники музея Аркадий Васильевич Соколов и Владимир Иванович Прудников. Более двадцати лет они хранили это в тайне. И только в 1991 году она была раскрыта Аркадием Васильевичем своей дочери.
В том же году вновь обретенные мощи после проведенной идентификации привезли в Москву, где они до сентября находились в патриаршем Богоявленском соборе. Затем раку с нетленными мощами перевезли в Курск. И ровно через восемьдесят лет после канонизации Православной Церковью белгородского святителя его мощи вернулись в его престольный град.
С середины 90-х годов ХХ века в епархии установлена новая благочестивая традиция: ежегодно 19 августа, в праздник Преображения Господня, мощи святителя Иоасафа крестным ходом переносятся из Преображенского кафедрального собора в Николо-Иоасафовский собор, где они пребывают до 16 сентября, когда крестным ходом переносятся сначала к пещерке святителя Иоасафа, а потом в Преображенский кафедральный собор. Там совершается всенощное бдение. 17 сентября, в день прославления и второго обретения мощей святителя, в соборе совершаются три божественные литургии (в 3 часа ночи, в 6 часов утра и в 9 часов утра – архиерейским чином) и молебен у мощей святителя.
Всенощное бдение, три Божественные литургии и молебен совершаются в кафедральном соборе также 23 декабря, в день преставления (1754 год) святителя.
Особо почитаемой святыней этого собора стала икона Святителя Николая, именуемая «Николай Ратный», которой около 400 лет. Издавна с иконой Николая Ратного из Белгорода в село Устинку совершался большой крестный ход. В наше время традиция возрождена.
Еще одной святыней Преображенского кафедрального собора является икона Божией Матери «Знамение». Эта икона была изготовлена в начале ХХ века. В качестве музейного экспоната она была представлена осенью 1998 года на выставке, посвященной жизни и трудам святителя Иоасафа. В один из дней работы выставки сотрудники музея заметили, что лики Богоматери и Богомладенца просветляются. Руководством музея было принято решение – передать необычный образ в Преображенский собор города Белгорода. Случилось это в начале декабря 1998 года.
Собор является памятником архитектуры.
