Указом императрицы Екатерины II от 30 марта 1783 года на юге Украины создается новая административно-территориальная единица — Екатеринославское наместничество, объединившее Азовскую и Новороссийскую губернии.
Центральному городу отводилась роль «третьей столицы» — политического, религиозного, экономического, культурного центра юга страны. Здесь мыслится создание университета, академии художеств, консерватории, предполагалось строительство самого большого в России храма, создание крупнейших на юге страны ткацких фабрик и т.д. Для города намечается отвести территорию площадью более 340 кв. км. В 1786 г. составляются первые планы нового Екатеринослава.
13 октября 1786 года был утвержден один из проектов, предложенных Клодом Геруа (французский архитектор, член Парижской Академии и Петербургской Академии художеств, работавший в 1770-80 годах в России). Центр города был запроектирован на большой пологой вершине холма. Разбивка кварталов задумана по строго прямоугольной схеме. Здесь же намечается единственная городская площадь; застройку жилых кварталов предполагается вести в северо-восточной части холма. Все административные и общественные здания запроектированы по периметру площади. Главной составной частью ансамбля площади должен был стать 12-ти престольный собор, проект которого также выполнил К. Геруа.
Центр города был запроектирован на большой пологой вершине холма, возле излучины Днепра. Архитектор предлагал расположить здесь большую городскую площадь с Преображенским собором и главными административными и общественными зданиями. Будущий 12-ти престольный собор должен был стать архитектурной доминантой нового Екатеринослава. Предусматривалось, что своими размерами — 150 на 45 метров — он по высоте превзойдет знаменитый собор святого Петра в Риме.
Исполняя желание заказчиков построить город на древнегреческий и римский манер, Геруа спроектировал храм в виде громадной пятинефной базилики. Считается, что образцом для него послужил крупнейший в мире римский храм Сан-Паоло фуори ле Мура (св. Павла за стеной). Первоначально собор планировался в 71 сажень (ок. 150 м) длиной, 21 (ок. 45 м) шириной и 65 (ок. 139 м) высотой, но позднее князь Потемкин указал увеличить высоту здания на один аршин (71 см) чтобы превзойти собора святого Петра в Риме. Главный вход должен был украшать громадный портик коринфского ордера из восьми колонн и два небольших купола. Такие же гигантские, только шестиколонные портики украшали и боковые входы. Венчал здание громадный купол на высоком барабане, поднимающийся над среднокрестием собора.
При основании Екатеринослава в 1787 году Екатерина II заложила в фундамент огромного Преображенского собора первый камень.
9 мая 1787 г утром Екатерина II выехала к местности неподалеку слободы Половицы для закладки Преображенского собора и вместе с ним нового города Екатеринослава на правом берегу Днепра. Здесь состоялась торжественная церемония — императрица вместе с австрийским императором Иосифом II, Г.А. Потемкиным и другими официальными лицами заложили первые камни первого сооружения губернского города. Сохранились сведения, что Екатерина II, взойдя на гору, промолвила: «Место сие имеет вид приятного обиталища». Французский посол граф Л-Ф. Сегюр упоминает в своих мемуарах об этом торжестве: «9 мая — в царском шатре отслужили молебен, и государи, в присутствии архиепископа, совершили закладку собора нового города в чрезвычайно красивой местности».
Детальное описание церемонии закладки Екатеринослава помещено в «Устных воспоминаниях» запорожского казака Никиты Коржа. С той поры оно более-менее детально воспроизводилось во многих изданиях, в том числе «Истории города Екатеринослава» Д.И. Яворницкого. Эта дата считается днем основания города Екатеринослава, с которой начинается летоисчисление всей последующей истории.
«Мы с императрицей Екатериной в один день сделали великое дело: она заложила первый камень нового города, а я — второй и последний», — заметил австрийский император Иосиф II, положивший в фундамент второй кирпич, по окончании церемонии. Как отметил Д.И. Яворницкий: «И его пророчество, как показало будущее, вполне оправдалось».
Французский посол граф де Сегюр также со своей стороны отметил, что в только что заложенном храме едва ли будет совершаться богослужение. Позднее в беседе с Иосифом II граф Сегюр подчеркнул по поводу нового города, что «в Екатеринославе мы видели начало города, который не будет обитаем, начало церкви, в которой никогда не будет службы...». К сожалению, собор по проекту К. Геруа действительно не был построен.
В 1792 году В.В. Каховский — третий правитель Екатеринославского наместничества — докладывал Екатерине II: «...церковь, которой фундамент выведен был в 1788 году, приказал покойный ген. Фельдмаршал строением оставить и, выписав из Санкт-Петербурга архитектора И.Е. Старова, поручил ему сделать новый план, и городу и церкви».
Новый проект здания Преображенского кафедрального собора меньших размеров выполнил в 1805 году выдающийся российский архитектор А.Д. Захаров (1761-1811), автор известного Адмиралтейства в Санкт-Петербурге и Андреевской церкви в Кронштадте.
Но только в 1828 указом предписали строить кафедральный собор близ бывшей деревянной Успенской церкви. Губернское начальство возразило против такого решения. Тогда обратились к Николаю I (1796-1855). По его указанию Преображенский собор по проекту А.Д. Захарова соорудили в 1835 году на месте фундамента собора, заложенного Екатериной II.
Преображенский собор начали строить по проекту А.Д. Захарова 22 мая (3 июня) 1830 года на месте фундамента собора, заложенного Екатериной II 9 (20) мая 1787 года. В то время «... около Соборной площади долго не было других строений, кроме Потемкинского дворца, архиерейского дома да заброшенного фундамента гигантского собора». Это был огромный Ярмарочный пустырь, протянувшийся от Потемкинского сада до Меткой улицы (затем Столыпинская улица, теперь улица Чернышевского).
20 апреля 1830 года начались подготовительные работы, а 22 мая состоялась повторная закладка Преображенского собора. Описание церемонии закладки и освящения собора с 1830 по 1835 гг. довольно подробно описаны в ряде работ, прежде всего самого архиепископа Екатеринославского Гавриила (Розанова). Были возвращены на место вынутые во время подготовительных работ 67 рублей и медная позолоченная доска, заложенные Екатериной II.
Строительство окончилось 9 мая 1835 года, а 29 июня собор был освящен правящим архиереем архиепископом Екатеринославским, Херсонским и Таврическим Гавриилом (Розановым). Стоил он 300 тыс. рублей, 100 тыс. из которых собрало местное население, и был он в шесть раз меньше, чем по проекту 1787 года. Сильно упрощенный по сравнению с первоначальным проектом Адриана Захарова, он все же сохранил характерный петербургский стиль и изысканную пластику, характерную для русского классицизма начала XIX века и уже почти утраченную в 1830-х годах.
Сооружен собор в классическом стиле и имеет Т-образную конфигурацию. Его передняя часть расширена для создания в ней двух пределов с алтарями: левого — в честь великомученицы Екатерины и правого — святителя Николая Чудотворца. Над средней предалтарной частью возвышается величественный барабан и купол диаметром более 8 метров, который опирается на четыре прямоугольных паруса свода. Стены барабана имеют 16 продолговатых окон, между которыми изображены восемь библейских пророков, а немного ниже, на сводах — образы евангелистов: Матфея, Марка, Луки и Иоанна. Входную паперть собора венчает двухъярусная амперная колокольня со шпилем, оточенным около его основания восемью медными позолоченными вазами — творениями иеродьякона Антония. Кроме главного (западного) входа, в собор находится еще два: северный и южный. Все они украшены шестиколонными, ионического ордера, портиками.
Потолки и паруса сводов в технике «сграффито» расписали известные петербургские академики живописи: Преображения и Вознесения Господня — В.К. Созонов, Спасителя, Божию Матерь и великомученицу Екатерину — С.А. Безсонов, и Н.И. Теребеньев — святителя Николая. Заслуживают внимание росписи на евангельские темы: «Моление о Чаше» и «Восхождение на Голгофу». Стены расписаны под цветной мрамор. Поначалу главным, после фресок, украшением собора был резной, белый с позолотой иконостас. Но понемногу появились и другие достойные внимания вещи. Существуют акты про передачу в Преображенский большого количества утвари, одежд, хоругвей из ризницы бывшей кафедры — Успенского собора. Возможно, некоторые ценные вещи передавались из других церквей губернии. Не забывали собор и благодетели. Они, конечно, были разные. От помещика Герсеванова, подарившего собору картину «Неверный Фома» работы итальянского мастера XVI века Гверчино, до жителей Вознесенской слободы, которые в складчину купили для собора икону Вознесения, которую потом каждый год торжественно привозили в слободу для праздничного богослужения.
На втором ярусе колокольни Преображенского собора находился колокол весом 385 пудов (6,16 т), отлитый в Москве на заводе Николая Самгина. В 30-х годах XX столетия все колокола сняли.
Только после постройки здания Преображенского собора, с середины 1840-х годов начали постепенно формировать Соборную площадь (теперь площадь Октябрьская) и ее границы в том виде, в каком мы видим их сегодня.
В 1834 году вокруг Преображенского собора на фундаменте недостроенного собора К. Геруа по проекту Н. Денисенкова установили ограду. В 1970-е годы ее убрали, а в 1990-е, когда собор возвратили верующим, на том же месте построили новую ограду.
После революции началась массовая кампания борьбы с религиозными постройками, традициями, разрушались храмы, сжигались иконы и прочая церковная утварь.
В 1930 году собор закрыли. Согласно генеральному плану развития города, Преображенский собор должен был быть взорван, а на его месте стоять памятник вождю мирового пролетариата. Преображенский собор мог вовсе исчезнуть, если бы не днепропетровский историк Дмитрий Яворницкий. Он придумал гениальный план спасения — просто сделать собор соответствующим времени и власти. Яворницкий организовал в Преображенском соборе «Музей атеизма» с маятником Фуко, и именно под предлогом музейных экспонатов были сохранены уникальные иконы. Именно под видом исторических ценностей остался на прежнем месте уникальный иконостас собора.
Преображенский собор остался музеем и на время Второй Мировой войны, но в 1941 году, по разрешению немецких властей, здесь на время возобновились богослужения (собор был передан «автокефалистам»). После Великой Отечественной войны полуразрушенный собор превратился в склад бумаги издательства «Зоря».
Здание Преображенского собора, пострадавшее осенью 1943 года при освобождении города от немецко-фашистской оккупации, а несколько позднее и от пожара, восстанавливали специалисты Черниговских реставрационных мастерских в 1968-1975 годах.
Купол и шпиль колокольни Преображенского собора, как изображено на цветных почтовых карточках с видами Екатеринослава, были покрыты зеленой краской. В 1972 году при восстановлении здания собора купол и шпиль впервые позолотили, на что ушло 2,2 кг сусального золота.
В 1976 году, после капитальной реконструкции здания собора, там открыли Музей истории религии и атеизма.
В 1992 году, решением областного совета № 108 от 28 марта, храм был официально передан Украинской Православной Церкви и его начали восстанавливать. Первое богослужение в этом соборе было совершено еще до его официального возвращения. Это случилось по настоянию сотрудников исторического музея и верующих в 1989 году, после празднования 1000-летия Крещения Руси. Еще висел маятник Фуко, не было ни одной иконы, но уже прошла первая Литургия.
На территории собора располагался некрополь, где нашли свое последнее упокоение церковные деятели и светские знаменитости того времени. Под Екатериновским приделом (в левой части) были похоронены архиепископ Феодосии (Макаревский) почивший в 1885 году и епископ Августин (Гуляницкий) (+1892). Однако во время раскопок на Страстной седмице в 1996 году были обнаружены мощи не двух, а трех архиереев. До сих пор остается неизвестным личность третьего епископа. Бытует предположение, что это епископ Серапион (Маевский) (+1891). Хотя по архивным свидетельствам он был погребен в усыпальнице главного монастырского собора Самарского Свято-Николаевского Пустынного мужского монастыря. Однако, возможно, что это действительно останки Преосвященного Серапиона, так как время его служения на кафедре приходилось с 1885 по 1891, то есть в период между служениями двух погребенных в этом месте иерархов — его предшественника епископа Феодосия и последователя епископа Августина. Вопрос остается открытым и требует дальнейшего исторического исследования.
21 декабря 2008 года Блаженнейший митрополит Киевский и всея Украины Владимира освятил самый большой в епархии колокол для Спасо-Преображенского кафедрального собора. Этим действом осуществилась историческая справедливость — завершилось восстановление соборной звонницы. Отныне соборная колокольня восполнилась заключительным колоколом из ряда тех, которые были до разрушения и закрытия собора большевистской властью. Еще девяносто лет назад у этого храмового здания была самая лучшая колокольня, к сожалению, полностью уничтоженная в советские времена. Она состояла из 11 колоколов, общим весом в 11 тонн. Именно такой царский подарок некогда был преподнесен императорской семьей Николая II кафедральному храму губернского города Екатеринослава в 1903 году.
В настоящее время Спасо-Преображенский кафедральный собор является памятником архитектуры национального значения под № 149.
