Преображенский собор был возведен в 1747 году. Средства на его строительства были выделены купцом П. М. Нелюбовым и пожертвованиями прихожан. Преображенский собор сменил на своем месте две ветхие деревянные церкви: Никольскую и Афанасьевскую. Собор имел три престола: главный во имя Преображения Господня, правый в честь Благовещенья пресвятой Богородицы и левый в честь святого Преподобного Авраамия Чухломского Чудотворца.
С южной и юго-восточной стороны собор был обнесен по земляному валу каменной красивой оградой, имеющей железные решетки. С северной, северо-восточной и западной сторон располагался городской сад.
Во второй половине XVII века немногим западнее от собора была построена колокольня. Затем между колокольней и храмом была выстроена двухпредельная трапезная. С приходом 1870-х годов по всем сторонам колокольни были построены симметричные две палатки для сторожки и ризницы.
Собор располагается в центральной части Чухломы на юго-западе от древних валов. Во времена царствования Петра I, в 1723 году церковным старостой Дмитриевым и священником Лукой Васильевым было подано прошение о строительстве нового собора, так как старый пришел в негодность. Так началось строительство новой церкви из камня. В 1730 году приделы новой церкви были построены и готовы к освящению, сама же церковь достроена не была. Освящение было произведено в конце июля. Дату постройки новой церкви и стали считать началом ее основания.
На сегодняшний день собор находится в плачевном состоянии. Здание постепенно разрушается, в стенах полно трещин. Выездные ворота и ограда разрушены. Преображенский собор признан памятником архитектуры XVIII столетия. В настоящее время это здание находится в собственности у МУП «ЧУХЛОМАЖИЛКОМХОЗ». Преображенский собор считается единственным ярким памятником своего времени, расположенным в Костромской области.