Проект храма в честь Преображения Господня был составлен в 1901 году архитектором Рыбинским, а уже в 1902 году прошла торжественная церемония закладки фундамента. В качестве места расположения собора был выбран целебный источник, освященного во имя пророка Илии, на улице Ильинской (ранее ул. Урицкого). Здание трехпрестольного пятиглавого храма стилизовано под древнерусскую церковную архитектуру. Композиция храма включает храмовую часть, апсиду и трапезную.
С 1911 года был утвержден состав храмового духовенства (священник, диакон, псаломщик), заведены метрические книги с данными о родившимися и обвенчавшимися жителями Кимр, а за территорией села отведено место для приходского кладбища.
Советская власть сперва запретила достраивать каменную колокольню храма, мотивируя это нехваткой строительных материалов для жилищной застройки Кимр. Вместо нее верующие установили временную деревянную колокольню с восьмью колоколами. В 1929 году церковь закрылась.
Однако по просьбам верующих храм был вновь открыт в 1947 году. Через год в церкви совершил службу будущий патриарх всея Руси Пимен в то время приходская жизнь едва теплилась. Лишь в 1973 году после назначения новым настоятелем храма Иоанна Басюка приход стал полноценно возрождаться, а храм отстраиваться и снаружи и изнутри. В то же время храму был присвоен статус собора.