Проект собора вместимостью 1000 человек был составлен архитектором Фёдором Рыбинским в 1901 году. Первый камень храма был заложен в 1902 году на месте источника, который, по рассказам старожилов, был целебным. Примечательно, что на территории храма стоял дом, в котором родился писатель Александр Александрович Фадеев. Строительство было закончено в 1911 году, в том же году храм был освящён.
После прихода советской власти храм некоторое время работал, однако в 1928 году местные власти решили закрыть храм. 19 мая 1929 года состоялось последнее богослужение, уже 20 мая власти направили команду для закрытия храма, однако верующие пришли к церкви и устроили пикет в его защиту. Специальную комиссию из Калинина прихожане в здание собора не пустили. Вскоре ВЧК арестовало настоятеля храма Фёдора Колерова и остальных священнослужителей (в 1929 году их расстреляли). Храм был закрыт, в нём разместился клуб кустарей. На главном куполе была установлена красная металлическая звезда. В 1934 году клуб переехал, в соборе разместился склад зерна.
В 1947 году храм был вновь открыт, в этом же году купола вновь увенчали православные кресты. В 1948 году в храме совершил службу игумен Пимен, в дальнейшем ставший Патриархом Всея Руси. В 1973 году жизнь храма активизировалась, он приобрел статус собора и стал центром благочиния.
В 1996 году началась реставрация собора, которая завершилась в 2000 году. В 2001 году Кимрский краеведческий музей передал Преображенскому храму Иверскую икону Богоматери — реликвию, которая в 1901 году была подарена Кимрам монахами Афонского монастыря.