Die Geschichte des Haupttempels von Tambow beginnt mit dem Bau der Tambower Kreml im Jahr 1636. Im Jahr 1677 wurde die Hauptkirche der Stadt zur Kathedrale umgewandelt. Mit der Eröffnung der Diözese im Jahr 1682 wurde die Spaso-Transfiguration-Kathedrale zur Kathedrale. Der Bau der steinernen Kathedrale wurde vom zweiten Bischof von Tambow, Pitirim, geplant und begonnen. Trotz der Massivität und der dreischichtigen Dicke der Wände verliefen die Arbeiten schnell unter Verwendung der besten Materialien. Ursprünglich war ein einstöckiger Tempel geplant, aber nach dem Bau der Wände entschied Bischof Pitirim, ihn zweistöckig zu machen. Im unteren Teil wurden Fenster eingebrochen, Gewölbe über dem Altar errichtet und Treppen zum oberen Stockwerk angelegt. Der Bischof konnte den Bau nicht vollenden; er wurde an der südlichen Wand im Altar des Heiligen Nikolaus beigesetzt. Nach 18 Jahren waren der Anbau und der Glockenturm baufällig. Im Jahr 1783 übernahm der Kaufmann Matwei Borodin den Bau der Kathedrale und plante, die obere Kirche zu gestalten und einen dreistufigen Ikonostase zu installieren. Aufgrund finanzieller Schwierigkeiten änderten sich jedoch seine Pläne. Im Jahr 1801 wurde die Renovierung und Installation des Ikonostases von einem anderen Wohltäter, dem Kaufmann Matwei Malin, abgeschlossen.

Bis zur Mitte des 19. Jahrhunderts wurde es im Tempel eng, daher wurden in den Jahren 1841-1842 die Treppen zur oberen Kirche, die einen erheblichen Teil des Raumes einnahmen, abgerissen. Auf der Westseite wurde nach dem Plan von S.A. Bereznegowski ein zweistöckiger Vorbau mit neuen Treppen angebaut. Zu diesem Zeitpunkt benötigte die Kathedrale eine umfassende Renovierung, die 1843 begann und bis 1849 dauerte. In der oberen Kirche wurden die Wände und Gewölbe geebnet und verputzt, korinthische Kapitelle wurden installiert, und die Wände wurden nach Motiven des Neuen und Alten Testaments bemalt. Die Böden und Fensterrahmen wurden ersetzt. Der neue Ikonostase für die obere Kirche wurde von den besten Moskauer Meistern gefertigt und war mit sechs Ikonen geschmückt, die von dem Schüler Muchanov gemalt wurden. In der unteren Kirche wurde ein neuer hölzerner, geschnitzter Ikonostase im Rokoko-Stil mit vergoldeten Verzierungen installiert.

Im Jahr 1811 wurde der Bau des steinernen Glockenturms begonnen, der 1812 geweiht wurde, was symbolische Bedeutung hatte. Bis zu den 1860er Jahren war der Glockenturm verputzt, weiß gestrichen, mit Eisen bedeckt und mit vergoldeten Sternen geschmückt. Im Jahr 1879 wurde der Plan für den Bau von zwei Flügeln an der Kathedrale genehmigt, die die architektonische Komposition vervollständigten. Die niedrigen einstöckigen Gebäude unterstrichen die Größe der Kathedrale. Die Kathedrale bewahrte die wichtigsten Tambower Heiligtümer, darunter das wundertätige Ikone der Gottesmutter von Kasan und die Kreuzigung des Erlösers, die von Bischof Pitirim gemalt wurde. Auf dem Ikone ist die Stadt mit Festungstürmen, einer Kirche und Häusern abgebildet, was der Beschreibung von Tambow im 17. Jahrhundert entspricht.

Seit 1918 stand die Kathedrale unter der Verwaltung der Kirchengemeinde, wurde jedoch 1930 geschlossen. Im Jahr 1931 wurden die Löcher in den Parks mit Schutt vom abgerissenen Glockenturm gefüllt. An der Stelle eines der Flügel wurde ein typisches Haus gebaut. Lange Zeit befand sich im Gebäude der ehemaligen Kathedrale ein Heimatmuseum. Jetzt wurde die Kathedrale den Gläubigen zurückgegeben.