Построен в 1828 г. по проекту архитектора В.П.Стасова. Собор лейб-гвардии Преображенского полка и всей гвардии.
Собор расположен рядом с Литейным проспектом - местом, где издавна располагались казармы преображенцев. В 30-е годы XVIII в. на этом месте был двор гренадерской роты этого полка. Именно туда в ночь с 24 на 25 ноября 1741 г. прибыла дочь Петра I цесаревна Елизавета. После долгой молитвы перед иконой Божией Матери она обратилась к преображенцам с призывом помочь ей обрести престол, "беззаконно похищенный" у нее правительницей Анной Леопольдовной и стоявшей за ней кликой вельмож немецкого происхождения. Под громкое "ура" солдаты присягнули новой Императрице и двинулись за ней на Зимний дворец.
Через несколько дней после вступления на престол Елизавета изъявила желание построить на этом месте храм в знак благодарности Богу за оказанную ей великую милость. В 1743 г. в Преображенских слободах по проекту архитектора М.Г. Земцова был заложен каменный трехпрестольный храм во имя Преображения Господня. 5 августа 1754 г. он был тожественно освящен.
Повелением императора Павла I с 12 ноября 1796 г. Спасо-Преображенский собор стал именоваться собором всей гвардии. Однако 8 августа 1825 г. собор сгорел, во время пожара из него успели вынести все главные святыни. Узнав о пожаре, император Александр I повелел незамедлительно восстановить собор. Составить проект было поручено архитектору В.П.Стасову. Строительство, начатое в 1827 г., велось очень быстро и к зиме 1828 г. было закончено. Величественный пятиглавый собор, построенный в стиле ампир (поздний классицизм), стал одним из самых красивых храмов Петербурга и в таком виде дошел до наших дней.
Вокруг собора по проекту Стасова был разбит сквер, окруженный изящной оградой. Она состоит из 34 гранитных оснований, на которых помещены 102 бронзовых орудийных ствола, по 3 на каждом. Орудия эти были взяты в русско-турецкую войну 1828-1829 гг. со стен турецких крепостей. Все средние стволы украшены золотыми двуглавыми орлами с коронами. Вокруг собора стояли 12 орудий и 2 единорога, составлявших собственность полка. Внутри собора как главного храма всей гвардии, находились многочисленные полковые знамена и другие трофеи, отвоеванные у турок. За стеклом в особых шкафах хранились преображенские мундиры Александра I, Николая I и Александра II, а также сабля, которая была на Александре II 1 марта 1881 г. и сохранила следы его крови.
Поскольку храм был военным, то клир его подчинялся протопресвитеру военного и морского духовенства. Хозяйством управлял ктитор, назначавшийся командиром полка из заслуженных офицеров. В 1918 г. собор стал приходским храмом. Знамена, орудия и военные трофеи были изъяты и переданы в Артиллерийский музей. С 1950 г. они находятся в Эрмитаже.
Хотя сам собор никогда не закрывали, большинство святынь храма и ценные иконы были изъяты в 20-е годы. Общий интерьер собора сохраняет тот вид, который он имел во времена Стасова. Главный купол расписан под цвет облачного неба, в центре которого изображена большая звезда. В подкупольном пространстве находится большое пятикупольное паникадило на 120 свечей. Иконостас центрального придела - четырехъярусной, украшенный по белому фону золоченной резьбой. Образа иконостаса написаны на холсте известными живописцами А.И.Угрюмовым, В.К.Шебуевым, А.И.Ивановым. Главными святынями храма ныне является икона «Спас Нерукотворный» и икона Божией Матери "Всех Скорбящих Радость".
Образ Спаса Нерукотворного находится на аналое у правого клироса. Он тесно связан с жизнью императора Петра Великого и был его любимым образом. Написанный известным московским живописцем Симоном Ушаковым для царя Алексея Михайловича, образ перешел к Петру I от матери. С ним он был и при закладке Петербурга, и при Полтавской баталии. Позже он был помещен в домике Петра I на Петербургской стороне, в столовой, превращенной в часовню. При закрытии часовни в 1930 г. чтимый образ перенесли в Троицкую церковь (см. стр. ) на Стремянной улице, а в 1938 г. - в Спасо-Преображенский собор.
Чтимая икона Божией Матери "Всех Скорбящих Радость" лежит на аналое у левого клироса. Этот список с чудотворной иконы из храма Преображения Господня на Ордынке, сделанный по повелению сестры Петра I царевны Натальи Алексеевны и в 1711 г. привезенный ею из Москвы в Петербург. Во время войны с турками этот образ был в рядах русского войска. По возвращении Государя в столицу, в память спасения его и армии во время Прутского похода 1711 г., им был устроен храм Воскресения Христова при дворце царевны Наталии Алексеевны, где и был поставлен чтимый образ. Позже на месте этого дворца был построен новый храм для этой иконы. В этой церкви на Шпалерной улице образ оставался вплоть до ее закрытия в 1932 г, когда икона была перенесена в Спасо-Преображенский собор.
В храме есть три престола - главный, во имя Преображения Господня, северный, во имя священномученика Климента Папы Римского и Петра Архиепископа Александрийского и южный, во имя преподобного Сергий Радонежского Чудотворца. Возле северной стены собора, в приделе святых Климента и Петра, находится складень с образами Преображения Господня (в центре), великомученика Пантелеймона и святого равноапостольного царя Константина. Этот складень в 1900 г. подарил полковому лазарету тогдашний командир полка, генерал-майор Великий князь Константин Константинович (известный поэт "К.Р.").
В настоящее время Спасо-Преображенский собор - один из самых посещаемых храмов Петербурга. Настоятель храма, протоиерей Николай Гундяев - один из лучших петербургских проповедников. Славится хор собора, в котором поют солисты Академической капеллы.