Преображенский собор считается самым старым в Белгороде. Первые записи о нем датированы 1626 годом. Старая Преображенская церковь находилась на правом берегу Северского Донца, там, где сейчас располагается Старый Город.
Упоминается она и после переноса города на правый берег как церковь Белгородского Николаевского мужского монастыря. В 1813 году по проекту архитектора Евгения Васильева на деньги прихожан построен храм на месте старой обветшалой церкви. Тогда он назывался Преображенско-Ильинско-Александра Невского церковью.
В 1925 году закрыли старинный Троицкий собор, и Преображенская церковь стала кафедральным собором. Во времена гонения религии хотели закрыть собор, но местные власти не решились закрыть главную святыню города. Собор функционировал а тяжелые послереволюционные года, во время Великой Отечественной войны, и закрыли его только в 1962 году. После затянувшего ремонта храм передали в распоряжение краеведческого музея, который располагался там 17 лет.
Белгородцы уже и не надеялись, что храм когда-нибудь вернут верующим. Но, как показало время, площадь храма была недостаточной для музея, к тому же в 80-х годах начало меняться отношение к церкви. В 1990 годы было совершено богослужение у стен храма, началась поэтапное возвращение собора верующим. После капитального ремонта храму вернули мощи Святителя Иосафа епископа Белгородского и с 1994 там регулярно проводятся службы.