Спасо-Преображенский храм по мере своего архитектурного развития отражал уровень развития Одессы и всего края. Будучи небольшим культовым сооружением в начале XIX века, он стал одним из крупнейших соборов России в начале ХХ века. Храм, ставший в ту пору главным храмом Новороссии, вмещал до 12 тысяч человек, а Соборная площадь Одессы была главной площадью города, на которой проходили все крупные городские праздники.

В августе 1794 года на Соборной площади Одессы было освящено место строительства церкви в честь Николая Чудотворца. Согласно архивным документам и литературным источникам строительство каменной соборной церкви в Одессе митрополит Екатеринославский Гавриил (Банулеску-Бодони) поручил архитектору инженер-капитану В. Вонрезанту, и 14 ноября 1795 года рядом с временным Николаевским храмом митрополит освятил закладку каменной церкви, также в честь свт. Николая.

25 мая 1808 года архиепископ Екатеринославский Платон (Любарский) освятил главный алтарь собора в честь Преображения Господня, правый — в честь свт. Николая Мирликийского, а левый — в честь свт. Спиридона Тримифунтского. С тех пор собор начал именоваться не Николаевским, а Спасо-Преображенским. В 1837 году завершилось строительство колокольни по проекту архитектора Д. Франолли.

Так как Одесса в 1837 году стала епархиальным центром Херсонской епархии, Спасо-Преображенский собор получил статус кафедрального, в связи с чем потребовалось его расширение. По заказу архиепископа Херсонского и Таврического Гавриила (Розанова) в 1841 году архитектор Д. Гейденрейх разработал проект трапезной части, объединившей колокольню и старую церковь. Частичные реконструкции собора производились в 1870-1880 гг., а в 1894 году был осуществлен его капитальный ремонт.

Архитектурные недостатки, возникшие при многократных достройках, были исправлены в ходе последней реконструкции в 1900-1903 гг. Реконструкция предусматривала не только изменение фасадов, но и значительную перестройку интерьеров. В этот период были построены два боковые купола, а к восточному фасаду — портик. Была украшена и колокольня. После реконструкции 1903 года собор стал одним из крупнейших храмов Российской империи.

Главной святыней собора была чудотворная Касперовская икона Божией Матери, которая сейчас находится в Свято-Успенском Одесском кафедральном соборе. В Спасо-Преображенском соборе были захоронены архиепископы Иннокентий (1857 г.), Иоанникий (1877 г.), Димитрий (1883 г.), Никанор (1890 г.).

В 1936 собор был разрушен. Перед этим главный архитектор города был вынужден подписать постановление о том, что собор не представляет архитектурной ценности.

Возрождение Спасо-Преображенского собора началось в 1999 г. 

В 2006 году на прежнее место в нижнем храме восстановленного собора были возвращены останки светлейшего князя М.С. Воронцова и его супруги (перезахороненных в 1936 году, после разрушения собора, на Слободском кладбище г. Одессы).

7 июня 2007 г., в 150-ю годовщину со дня блаженной кончины и 10-ю — со дня церковного прославления святителя Иннокентия (Борисова), его честные мощи были перенесены из Свято-Успенского кафедрального собора в Спасо-Преображенский кафедральный собор, в котором после своей кончины был погребен святитель.