Собор возведен по указу императора Александра III в 1883—1907 годах по совместному проекту архитектора Альфреда Парланда и архимандрита Игнатия (Малышева), который впоследствии от строительства отошел. Проект выполнен в "русском стиле", несколько напоминает московский собор Василия Блаженного. Строительство длилось 24 года. 19 августа 1907 года, в день Преображения, собор был освящен.
Внутри храм представляет собой настоящий музей мозаики, площадь которой составляет 7 065 квадратных метров. Мозаика создавалась в мастерской В. А. Фролова по эскизам более 30 художников, среди которых были такие художники, как В.М Васнецов, М. В. Нестеров, А. П. Рябушкин, В. В. Беляев, Н. Н. Харламов.